Micro-Particle Image Velocimetry für Velocity Micro Profil Messungen der Blut fließt
Summary
Micro-Particle Image Velocimetry (μPIV) wird verwendet, um gepaart Bilder von Mikro-Partikel im Blut fließt die kreuzkorrelierten um eine genaue Geschwindigkeitsprofil geben sind ausgesät visualisieren. Schergeschwindigkeit, maximale Geschwindigkeit, Geschwindigkeit Profilform und Strömungsgeschwindigkeit, von denen jede klinische Anwendungen hat, können aus diesen Messungen abgeleitet werden.
Abstract
Micro-Particle Image Velocimetry (μPIV) wird verwendet, um gepaart Bilder von Mikro-Partikel im Blut fließt ausgesät visualisieren. Die Bilder sind kreuzkorrelierten eine genaue Geschwindigkeitsprofil geben. Ein Protokoll für μPIV Messungen von Blut fließt in Mikrokanälen dargestellt. Am Umfang der Mikrozirkulation, kann das Blut nicht als eine homogene Flüssigkeit sein, da es eine Suspension von Teilchen in flexible Plasma, einer Newtonschen Flüssigkeit suspendiert ist. Schergeschwindigkeit, maximale Geschwindigkeit, Geschwindigkeit Profilform und Durchflussmenge kann aus diesen Messungen abgeleitet werden. Mehrere wichtige Parameter wie Brennweite, Partikelkonzentration und System-Compliance, präsentiert werden, um eine genaue, nützliche Daten zusammen mit Beispielen und repräsentative Ergebnisse für verschiedene Hämatokrit-und Strömungsverhältnisse zu gewährleisten.
Introduction
Der menschliche Körper enthält zahlreiche Gefäße mit Durchmessern von weniger als 50 um, dem wichtigsten Ort Austausch zwischen Blut und Gewebe. Die Untersuchung der Durchblutung in diesen Gefäßen stellt eine erhebliche Herausforderung dar, sowohl das Ausmaß der Messungen und die Flüssigkeit von Blut. Diese Messungen, einschließlich der Druckgradient, der Schere an der Wand, und Geschwindigkeitsprofile in Arteriolen und Venolen, sind wichtige Faktoren, die mit physiologischen Reaktionen verknüpft. Es gibt jetzt noch nie dagewesene Möglichkeiten, um diese Herausforderungen zu lösen Messung dank neuer experimenteller Techniken auf Mikroebene, um die Mikrozirkulation zu studieren und lösen dieses Problem multiscale.
Mikropartikel-Geschwindigkeitsmessung (μPIV) ein Teilchen-basierte Strömungsvisualisierung Technik, die verwendet werden, um Geschwindigkeitsprofile des Blutflusses in Mikrokanälen über Kreuzkorrelation auszuwerten. μPIV, die zuerst von Santiago et al. entwickelt wurde, hat mit Hämorheologie verwendet wordenStudien seit Sugii et al. im Jahr 2001 verwendet die Technik, um den Blutfluss in 100 um rund 1,2 Glasröhren messen. Verschiedene Ansätze zur μPIV existieren. High-Speed-Kameras können verwendet werden, um die Bewegung von roten Blutkörperchen (Erythrozyten) zu korrelieren, und gepulste Bilder können verwendet werden, um die Bewegung von Tracer-Partikeln korrelieren. Jede dieser Optionen kann mit einer aufrechten oder umgekehrten Mikroskop eingekoppelt werden, abhängig von der Anwendung. In beiden Fällen ist das Ergebnis ein 2D Geschwindigkeitsprofil. Ein weiterer Ansatz ist, ein konfokales Mikroskop zu verwenden, um 2D-und 3D-Profile zu erreichen. Diese Methode ist, um Blut 3,4,5 angewendet worden.
Micro Skala PIV hat mehrere Komplikationen, wenn sie mit Makro PIV verglichen. In Makro PIV können die Daten in einer einzigen Ebene durch Blätter des Lichts beschränkt ist, sondern im Mikromaßstab Volumen Beleuchtung erforderlich ist. Volume Beleuchtung ein größeres Problem für die Abbildung von Mikro Blut fließt, da die roten Blutkörperchen sich im Vergleich groß sind, um die channels und mit den RBCs als Tracer-Partikel führt zu einer Tiefe von Korrelation (DOC), die signifikant verringern kann die Genauigkeit der Kreuzkorrelation Ergebnisse 6.7.8. Nach Wereley et al. (1998) die DOC für eine 40 um groß Kanal mit RBC als Tracer ist 8,8 um, während mit einer 1 um Tracerpartikel die DOC ist 6,7 um. Dieser Unterschied wird noch deutlicher, wenn Kanalwechsel Höhe und Vergrößerung. Zusätzlich sind RBCs opak, und die Erhöhung der Dichte der RBCs in der Strömung bewirkt Bildgebung Schwierigkeiten. Fluoreszierende Tracer-Partikel, die zuerst von Santiago et al. (1998) verwendet werden, haben als ein Werkzeug, um den Einfluss von out-of-focus Partikel verringern befürwortet worden, wenn mit den kleinsten Teilchen möglich. Mit 1 Mikrometer Durchmesser fluoreszierende Mikropartikel gekoppelt mit einem Laser ist ein Ansatz, der die Tiefenschärfe Problem in Mikro Blutfluss Bildgebung 10. Mai verringern. Es gibt mehrere aktuelle Bewertungen des Zustands der μPIV technik, von denen jeder die Bedeutung der μPIV hebt, um den Blutfluss Studien 11,12. Mehrere wichtige Aspekte müssen berücksichtigt werden, wenn μPIV für Blut. Auf der Mikro-Ebene, das Ausmaß der Mikrozirkulation, kann das Blut nicht als eine homogene Flüssigkeit sein, da es eine Suspension von flexiblen roten Blutkörperchen (Erythrozyten), große weiße Blutkörperchen, Blutplättchen und anderen Proteinen in einer Newtonschen Flüssigkeit (Plasma) suspendiert ist .
Die Geschwindigkeitsprofile gemessen hier kann verwendet werden, um bestimmte Eigenschaften der Mikro-Blut fließt zu messen. Die wichtigsten Faktoren sind in microhemorheology die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes, die Form des Geschwindigkeitsprofils und die Scherspannung an der Wand des Gefäßes. Diese Information hat klinische Implikationen, da der Mikrozirkulation ist die Website für Stoffaustausch in den Körper, und dieser Austausch ist scherabhängige. Es gibt mehrere Studien über aktuelle Bewertung den Stand der Forschung in der Mikrozirkulation sowie 13,14,15.
Präsentiert hier ist ein Protokoll für μPIV Messungen der Blut fließt in Polydimethylsiloxan (PDMS) Mikrokanäle. PDMS-Kanälen wurden in-house nach den Quellen in Abschnitt 1 des Protokolls hergestellt. Schweine wurden Blutproben von einer akkreditierten Schlachthof erhalten und gereinigt nach § 2 des Protokolls. Alle Daten wurden unter Verwendung des LaVision MITAS μPIV System, wie in Abschnitt 3 des Protokolls beschrieben. Das Set-up besteht aus einem Nd: YAG-Laser (New Wave Research, USA) und CCD-Kamera (Bild Intensiv, LaVision) gesteuert durch einen programmierbaren Auslöseeinheit ein Fluoreszenzmikroskop mit einer Bühne bewegt sich in 3 Achsen gekoppelt ist, und einem Computer, zusätzlich zu einer Hochgeschwindigkeitskamera (Dalsa 1M150, Niederlande) wurde für die Visualisierung der roten Blutkörperchen selbst aufgenommen. Beide Kameras sind mit einem 2-fach Optik-Box (Custom von Zeiss, Deutschland) verbunden. In typischen in vivo Messungen des Blutflusses, ist eine aufrechte Mikroskop zu verfolgen der Erythrozyten diemselves, während in typischen Anwendungen in vitro ein invertiertes Mikroskop wird verwendet, um den Tracer-Partikeln zu verfolgen. In diesem einzigartigen Dual-Set-up ermöglicht die Optik Box beide Tracer abzubildenden mit dem inversen Mikroskop werden. Blut wurde in den Mikrochips über eine hochpräzise Spritzenpumpe (Nexus3000, Chemyx Inc., USA) eingeführt. Ein Diagramm des Systems wird in Abbildung 1, wobei der obere Teil der Figur repräsentiert die 140 um 40 um durch rechteckige Kanäle PDMS hergestellt gezeigt, und der untere Teil stellt das gesamte System einschließlich der beiden Kameras, den Laser, der Spritzenpumpe und das Mikroskop.
Aktuelle μPIV Set-ups zur Verfügung, in der Regel mit proprietärer Software umfassen TSI, Dantec Dynamics und LaVision. Standard-Kreuz-Korrelations-Algorithmen können durch zahlreiche Software-Optionen, einschließlich der MATLAB erreicht werden. Die Software ist nicht der Schlüssel, zu verstehen, was die Dialogboxen zu mathematisch wird die Nutzung dienen entsprechenr viel besser. In diesem Protokoll DaVis werden LaVision proprietäre Software oder MATLAB eingesetzt. Das Protokoll ist nicht speziellen Software, aber die Menüoptionen könnte an verschiedenen Orten in verschiedenen Software-Pakete sein.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mit μPIV für Messungen des Blutflusses an der Skala der Mikrozirkulation können Einblick in eine große Anzahl von relevanten biomedizinischen, mechanischen und chemischen Engineering-Prozesse zu geben. Einige der wichtigsten Faktoren zu berücksichtigen sind die Dichte des RBC selbst, die Aggregation und Verformbarkeit des RBC, Aggregation oder Bewegung der fluoreszierenden Mikropartikeln, und die Ansiedlung der RBC in den Kanälen. Alle diese Faktoren können für wenn die allgemeinen Leitlinien festgelegt oben bef…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten NSERC (Natural Sciences and Engineering Council of Canada) für die Finanzierung, Catherine Pagiatikis danken für ihre Hilfe bei der ersten Läufe, Sura Abu-Mallouh und Frederick Fahim zum Testen des Protokoll, Richard von Prevost LaVision, Inc für die technische Unterstützung, und Guy Cloutier der Universität Montréal für das Darlehen des Dalsa High-Speed-Kamera.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| poly(dimethylsiloxane) (PDMS), i.e. Sylgard-184 | Dow-Corning | 3097358-1004 | |
| ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma Aldrich | E9884-100G | |
| poshpate buffered saline (PBS) | Sigma Aldrich | P5368-10PAK | |
| fluorescing micro particles | Microgenics/FisherSci | R900 | |
| glycerol (OPTIONAL) | Sigma Aldrich | G6279-500 ml | |
| microcentrifuge, i.e. CritSpin | FisherSci | 22-269-291 | |
| syringe, i.e. 50 μl Gastight | Hamilton | 80965 | |
| camera, i.e. Imager Intense, high speed | LaVision, Dalsa | Imager Intense | |
| microscope, i.e. MITAS | LaVision | MITAS | |
| Nd:YAG laser | New Wave Research | Solo-II | |
| syringe pump, i.e. Nexus3000 | Chemyx, Inc. | Nexus-3000 | |
| flexible tubing, i.e. Tygon | FisherSci | 14-169-1A | |
| data processing software, i.e. DaVis | LaVision | DaVis | |
| centrifuge, i.e. Thermo Scientific CL2 | Thermo Scientific | 004260F |
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