JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

Soft-lithography was utilized to produce a representative true-scale model of pulmonary alveolated airways that expand and contract periodically, mimicking physiological breathing motion. This platform recreates respiratory acinar flows on a chip, and is anticipated to facilitate experimental investigation of inhaled aerosol dynamics and deposition in the pulmonary acinus.

Abstract

כימות מאפייני תזרים נשימה במעמקי acinar ריאתי וכיצד הם משפיעים תחבורת אירוסול בשאיפה היא קריטית לקראת אופטימיזציה טכניקות שאיפת תרופה וכן לניבוי דפוסים בתצהיר של חלקיקים הנישאים באוויר רעיל בתוך alveoli ריאתי. כאן, שיטות-ליתוגרפיה רך משמשות לפברק מבנים דרך הנשימה acinar הדמוי מורכבים על אורך-הקשקשים אנטומיים האמת שמתרבים תופעות זרימת acinar פיסיולוגיות במערכת נגישה אופטי. המכשיר microfluidic כולל 5 דורות של מתפצל צינוריות כוורת עם הרחבת מעת לעת וקירות קבלנות. להפעלה ללא קיר מושגת על ידי לשנות את הלחץ בתוך תאים מלאי מים הסובבים חומות ערוץ acinar הדקות PDMS היא מן הצדדים וחלקו העליון של המכשיר. בניגוד מכשירי microfluidic multilayer משותפים, שבו הערמה של תבניות מספר PDMS נדרשה, שיטה פשוטה מוצגת לפברק העליוןקאמרי על ידי טבעת סעיף חבית מזרק לתוך תבנית PDMS. ההתקנה microfluidic הרומן הזה מספק תנועות נשימה פיזיולוגיות אשר בתורו להצמיח אוויר-תזרימי acinar מאפיין. במחקר הנוכחי, velocimetry תמונה החלקיקים מיקרו (μPIV) עם חלקיקי הנוזל מושעה שימש לכמת אוויר כזה תזרימי על פי התאמת דמיון הידרודינמית. ההסכם הטוב בין תוצאות μPIV ותופעות זרימת acinar צפויות מראה כי פלטפורמת microfluidic עשויה לשמש בעתיד הקרוב כמו אטרקטיביים כלי במבחנה לחקור תחבורת חלקיקי נציג מוטסת ישירות בתצהיר באזורי acinar של הריאות.

Introduction

כימותים מפורטים של דינמיקת זרימת נשימת דיסטלי, אזורי כוורת של הריאות הם בעל חשיבות עליונה להבנת ערבוב זרימת אוויר בתוך acinus ריאתי וחיזוי גורלם של אירוסולים בשאיפת 1-3 דרכי הנשימה העמוקה. ההיבט השני הזה הוא מדאיג במיוחד כאשר פונים מצד אחד המפגעים של חלקיקים מזהמים בשאיפה או לחילופין בחיפוש אסטרטגיות חדשניות משלוח סמי שיפור הממוקד של תרופות בשאיפה לאתרי ריאות מקומיות 4, 5, כמו גם עבור משלוח מערכתי.

נכון להיום, תזרים נשימה באזורי acinar העמוקים ריאתי נחקר בדרך כלל סיליקון באמצעות דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD) או לחלופין במבחנה עם דגמים ניסיוניים מדורגים ומעקב אחר התאמת דמיון הידרודינמית. בעשורים האחרונים, שיטות CFD יושמו ויותר ללמוד תופעות זרימת acinar, מן Singlדואר מודלים המכתשית 6, 7 ו כוורת צינוריות 8-12 ליותר משוכללים במודלי סיליקון הלוכדים אנטומית מציאותי מבני עץ acinar עם מספר דורות של צינוריות כוורת ועד כמה מאה alveoli פרט 13-15.

יחד, מאמצים מספריים היו מרכזיים ושופך אור על התפקיד ומידת ההשפעה של תנועת קיר במהלך נשימת תנועות על שהתפתח דפוסי זרימת אוויר acinar. בהעדר תנועת נשימה, הסירקולציה מחודשת תכונת alveoli סטטי זורמת בתוך החללים שלהם כי התערוכה לא חליפי הסעה של אוויר בין צינור acinar ואת נֹאדִית 6, 7; במילות אחרות, יהיה מבודד תזרים המכתשית טהרת תזרים בתוך עצי acinar וחילופי האוויר יגרמו שיהיו שונים מזה של מנגנונים מתרחבים. עם קיומה של רחבות המחזורית של תחום המכתשית, לעומת זאת, טופולוגיות זרימת המכתשית הם שונים באופן דרסטי ואת resulting תבניות זרימה בתוך alveoli קשורות באופן הדוק למיקום של נֹאדִית לאורך עץ acinar (למשל., הפרוקסימלי לעומת דורות הדיסטלית).

בפרט, זה כבר שער בסימולציות כי תבניות זרימה המכתשית מושפעות במידה רבה על ידי היחס בין מכתשים כדי ductal ספיקות כאלה שדורות הפרוקסימלי של עץ acinar ריאתי, שבו יחס זה הוא גדול יחסית באי שימור מסה על פני מבנה עץ, תכונה הסירקולציה מחודשת מורכבת זורמת בתוך החללים המכתשית עם pathlines נוזל בלתי הפיך. עם כל דור acinar עמוק, היחס בין מכתשים כדי ספיקות ductal הולך ופוחת כזה שדורות acinar דיסטלי להפגין יותר רדיאלי דמוי מייעלים שמזכירים inflations ו deflations פשוט של בלון. עם התקדמות שיטות הדמיה מודרניות, נתוני הדמית ריאות 16, 17 של מכרסמים, כולל חולדה ועכבר, עוררו חלק מכשירי כושר CFD הראשוןations תזרים acinar אנטומית-משוחזר alveoli המשוחזר. למרות התקדמות מבטיחה כזה, המחקרים האחרונים אלה עדיין מוגבלים לטיפול תופעות זרימת אוויר בתוך צקי המכתשית מסוף רק 18, 19 או כמה alveoli סביב צינור יחיד 20. כתוצאה מכך, המדינה- of-the-art חקירות של תופעות זרימה נשימתיות של acinus להישאר בשליטתה של מחקרים התמקדות הגיאומטריות בהשראת אנטומית הגנרית של הסביבה acinar 2.

בצד הניסיון, setups השונה שמציע דרכי נשימה עם alveoli אחד או כמה פותח במשך שנתי 21-24. עם זאת, אין בנמצא דגמים ניסיוניים של מתפצל איירווייז כוורת המסוגלים מחקו נשימה פיזיולוגית ידי ההרחבה מתקשרת באופן נשימה דמוית. בהינתן חוסר פלטפורמות ניסיוני אטרקטיביים בהישג היד, חקר תופעות מעבר acinar נותר מוגבל לגבי validaטינג מחקרים חישובית ובביקורתיות נותר מחסור של נתוני הניסוי זמין. . בשנים האחרונות, מא ואח '(2009) יש לבנות מודל שעבר גדלה, נוקשה-קיר של acinus המורכב משלושה דורות acinar; עם זאת, חוסר תנועת קיר במודל זה מוגבל ביכולת שלו כדי ללכוד תבניות זרימה המכתשית מציאותיות בתנאי נשימה.

ניסויים שעברו גדלה, אחרים כוללים דגם קיר נע המבוסס על נתונים אנטומיים מן ההעתק יצוק הוכנסו לאחרונה 25; עם זאת, מאז המודל היחיד שנתפס הדורות שני acinar האחרון (כלומר., שקי מסוף), היא לא הצליחה ללכוד את תזרימי הסירקולציה המחודשת מורכבות המאפיינות דורות acinar הפרוקסימלי יותר. דוגמאות אלה אחרונים של ניסויים בקנה מידה-אפ נוספת להדגיש את המגבלות המתמשכות עם גישות כאלה. באופן ספציפי, לא ניסוי קיים עד כה הדגים את מעבר שיערותיו מן הסירקולציה מחודשת כדי רדיאלי תזרים יחדacinus ובכך לאשר תחזיות מספריות של טופולוגיות זרימת שיערותיו להתקיים עצי acinar ריאתי אמיתיים 7, 15. אולי הכי קריטי, ניסויים שעברו גדלה, מוגבלים מאוד בחקירה בשאיפת דינמיקת תחבורה בתצהיר חלקיקי 26 בשל קשיים בהתאמה כל הלא הרלוונטיים פרמטרי ממדים (למשל., דיפוזיה של חלקיקים, מנגנון תחבורה קריטי עבור חלקיקים תת-מיקרון, מוזנחת לחלוטין).

עם אתגרים הניסיונות מתמשכים, פלטפורמות ניסיוני חדשות המתירות חקירות של נשימת תזרימי אוויר חלקיקי דינמיקה בקירות מרגשים מורכבי רשתות acinar הם בקשו. הנה, בהשראת אנטומית במודל acinar במבחנה הוא הציג. מחק פלטפורמת microfluidic זה acinar ריאתי זורם ישירות בקנה מידת acinar הנציג, ומרחיב את המגוון הולך וגדל של דגמי microfluidic ריאתי 27, כוללים-פלה תקע נוזלי סימפונותWS 28-30 ואת מחסום-נימי המכתשית 31.

כלומר, העיצוב הנוכחי כולל עץ דרכי נשימת כוורת פשוטה חמישה דור עם הרחבת מחזור והתקשרות קירות, שבו תנועות מחזוריות מושגות על ידי לחץ שליטה בתוך חדר מים המקיף את הקירות הדק PDMS לרוחב והיכן הקיר העליון מעווה על ידי מים נוספים תא יושב ישירות מעל מבנה acinar. שלא כמו במכשירים microfluidic multilayer משותפים, תא זה נוצר פשוט על ידי טבעת סעיף חבית מזרק בתוך מכשיר PDMS, ואינו דורש הכנה של עובש PDMS נוסף.

גישת מיניאטורי שהוצגה כאן מציעה באמצעים פשוטים צדדיים לשחזור מבני acinar מסובכים עם הזזת קירות לעומת דגמים שעברו גדלה, בעת לכידה את תכונות יסוד של סביבת זרימת acinar. פלטפורמה זו יכולה לשמש עבור פלוw להדמיה באמצעות חלקיקים-מושעה נוזל בתוך דרכי הנשימה (ראה תוצאות נציג להלן). בעתיד הקרוב, המודל ישמש עם חלקיקים הנישאים באוויר ללימוד דינמיקת חלקיקי acinar בשאיפה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

ייצור מאסטר 1.

  1. השתמש תחריט יון תגובתי עמוק (DRIE) של סיליקון על מבודד רקיק (SOI) לפברק פרוסות סיליקון מאסטר כמתואר עבודות לשעבר 32, 33.
    הערה: DRIE הוא העדיף micromachining SU-8 תקן בשל היבט הגבוה תכונות היחס (40 מיקרומטר הרחב ו 90 מיקרומטר תעלות עמוקות).

יציקת איטום 2. של מכשיר microfluidic

  1. מערבבי PDMS וסוכן ריפוי בכל 10: 1 יחס משקל בתוך מכולה נקיה קטנה כזה כמנה במשקל פלסטיק.
  2. דג את התערובת בתוך תא ייבוש תחת ואקום עד שכל בועות האוויר יוסרו.
    הערה: הכינו מספיק PDMS את כל הצעדים הבאים. כאן למטה, ראשי התיבות "PDMS" מתייחס תמיד אל 10 degassed: 1 PDMS: תערובת סוכן ריפוי שהוכן צעדי 2.1 ו -2.2.
  3. יוצקים את התערובת-degassed עד לגובה של כ 1 מ"מ מעל פרוסות מאסטר. דגה שוב לפחות40 דקות כדי להסיר את כל בועות האוויר מעל הפרוסות ולמזער את הבועות מתחת הרקיק.
    הערה: ודא כי רקיק הוא קרוב ככל האפשר אל תחתית הצלחת. אם העיתונות צורך רקיק בעדינות לתחתית באמצעות 2 בחישה מקלות דגה שוב.
  4. אופים בחום של 65 מעלות צלזיוס במשך 20 דקות בתנור הסעה טבעית.
    הערה: אחרי 20 דקות את PDMS הוא התקשה וכמעט לחלוטין נרפא. בעוד זמן אפייה ארוכה יותר היא אפייה אפשרית עבור 20 דקות חוסכות זמן ומשפרות את הדבקות של שכבת PDMS השנייה (ראה להלן) הראשון.
  5. קובץ החבית קטע מזרק פלסטיק 2 מ"ל להשתמש בנייר חול חצץ דק לשפר דבקות PDMS. בנוסף, השתמש בנייר חול לשטח את הבסיס של חבית מזרק על ידי הנחת נייר חול על משטח שטוח ומחליקים בבסיס חבית מזרק על גבי זה. נקה את המזרק באמצעות אוויר דחוס.
  6. מניח את החבית קטעה את המזרק על גבי שכבת PDMS הראשונה עם large הפתיחה מול פני השטח של PDMS, ויוצקים שכבה שנייה של PDMS על גבי הראשון עד לגובה של ~ 5 מ"מ, ודגה את PDMS שוב ייבוש.
    הערה: שכבת PDMS השנייה צריכה להיות שפך מן המכל הקטן מסביב לחבית, ולא צריך להיכנס בתוכו.
  7. אופים את ההתקנה כולה על 65 מעלות צלזיוס לפחות 2 שעות בתנור הסעה טבעית.
    הערה: אין צורך להחזיק את הקנה במקום במהלך תהליכי הריפוי מאז המשקל של PDMS שלחץ את הבסיס הרחב של החבית מחזיק בחבית במקומו.
  8. חותכים דרך עובש PDMS רחבי האזור בדוגמת של פרוסות סיליקון מאסטר באמצעות אזמל. בעוד חיתוך, אזמל צריך לגעת במשטח בחולשה של פרוסות סיליקון. לאחר מכן, הכנס בעדינות כלי רזה כגון מלקחי רקיק החריץ שנוצר על ידי האזמל, לקלף את PDMS שנוצק רקיק האמן.
  9. מניחים את הגבס על משטח רך מכוסה בנייר אלומיניום עם הצד בדוגמתפונה כלפי מעלה (כלומר., הקנה צריך לתלות מקצה השולחן), ולהכות את חור PDMS על כניסת כניסת ערוץ קאמרית באמצעות אגרוף ביופסיה 1 מ"מ.
  10. מעיל זכוכית שקופית נקי עם (degassed) 10: 1 PDMS: תערובת סוכן ריפוי באמצעות coater ספין מתוכנת בסל"ד 3000 למשך 30 שניות, ואופים> שעה 1 ב 65 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, לנקות את השקופית PDMS יצוק באמצעות קלטת ברורה.
  11. פנקו את פני השטח של שקופיות זכוכית מצופה עובש PDMS PDMS עם פלזמה O 2 (למשל, באמצעות treater קורונה כף יד) 1 דקות, ולאחר מכן לחץ בעדינות על משטחים יחד ואופים ב 65 מעלות צלזיוס למשך הלילה (O / N) .

מילוי Device 3. Actuation

  1. מערבבים מושעה מים חלקיקי פוליסטירן פלורסנט במים גליצרול בבקבוקון זכוכית כדי לקבל תערובת 64/36 (v / v) גליצרול / מים עם 0.25% (w / w) חלקיקים ..
  2. מניחים ירידה של הפתרון גליצרול על גבי כניסת ערוץ וירידה של DI וואטאה על צינור הכניסה לתא, ואז למקם את המנגנון בתוך תא ייבוש ואקום עבור ~ 5 דקות.
    הערה: לפני שחרור ואקום לחכות הבועות כי הטופס טיפות של תמיסת גליצרול ומים DI פופ. עם ואקום שחרור הנוזלים נשאבים לתוך החללים בתוך המכשיר. אם אוויר שיורית נשאר בתוך הערוצים, לחסל אותו על ידי הפעלת לחץ חיצוני על הנוזלים (למשל., באמצעות מזרק) ומאפשר באוויר כדי לפזר את PDMS.
  3. להזריק ~ 2 מיליליטר מי DI לתוך התא העליון (כלומר, את קנה המזרק, איור. 2b) עד שהוא מתמלא באופן מלא עם מים. ואז לכסות את התא העליון עם קצה מזרק 19 מד בוטה, לחתוך את הקצה עוד טיפ 19 מד מזרק בוטה וכנס הטיפ הזה אל צינור הכניסה לתא בצד. חבר את שני טיפים מזרק מזרק 1 מ"ל דרך צינורות טפלון דק מחבר בצורת האות T.
    הערה: ודא כי מזרק 1 מ"ל, צינורות טפלון, מחבר בצורת T קאמרית העליון (Barr מזרק 2 מ"לאל) הם כל מלא מים ללא בועות. זה עשוי להיות מושגת על ידי פתיחת נקודות חיבור, דוחפים מים דרך חלקים ריקים של צינורות וחיבור מחדש עם נקודות חיבור.
  4. חבר את מזרק 1 מ"ל ל משאבת מזרק מראש מתוכנת לחקות למשל מחזור הנשימה גאות שקט (עם תקופה של T = 4 שניות) בנוי רמפות ליניארי, כלומר, מאפס עד 1.8 מ"ל / דקה ב 1 שניות, מ 1.8 מ"ל / דקה כדי -1.8 מ"ל / דקה ב 2 שניות ו מ -1.8 מ"ל / דקה חזרה לאפס ב 1 שניות.

4. ניסויים ויזואליזציה זרימה: velocimetry תמונה מיקרו-חלקיקים (μPIV)

  1. כאשר המכשיר נמצא ומונעת, להשיג סדרה של 9 - 12 שלב נעול, כפל תמונה מסגרת של זרימת החלקיקים זרע באמצעות velocimetry תמונה מיקרו-חלקיקים (μPIV) מערכת המורכבת למשל של CCD חשיפה מסגרת מספר כפול המצלמה (למשל., 1,600 × 1,200 פיקסלים כדי להשיג רזולוציה מספיק), לייזר פעמו Nd-YAG כפול (גל: 532 ננומטר, אנרגית פלט: 400 MJ, משך דופק: 4 NSEC), ו מיקרוסקופ הפוכה.
    הערה: מערכת כזו היא מסוגלת להשיג זוגות מסגרת עם זמן שהייה של עד כמה מייקרו שני בין המסגרות הראשונות ושניות. כדי להשיג תמונות מסגרת נעל פעמיים שלב, כדאי לרכוש סדרה מסגרת כפולה למשל., 10 הרץ (זוגות מסגרת מופרדים ב -0.1 שניות זה מזה). לאחר מכן, הנתונים עשויים להיות מחדש כך שכל זוגות המסגרת כי הם מופרדים על ידי זמן מחזור מלא (כאן T = 4 שניות) יוצרים סדרת זמן חדשה. תמונת רכישה יש לחזור מספר פעמים תוך שינוי זמן ההשהיה בין המסגרות הראשונות ושניות בכל זוג מסגרת (כלומר., 100 μsec ל -0.1 שניות) לפתרון אזורי זרימה שונים בתוך חלל המכתשית.
    הערה: הגדרות חלופיות לגבי שילובים הטובים ביותר של מערכות רכישת תמונה (. כלומר, מצלמה) ומקורות תאורה (כלומר, לייזרים) לדימוי כזהmicroflows זמין גם 34, 35.
  2. השתמש באלגוריתם של סכום קורלציה לחשב מפות וקטור מהירות שלב נעולה של שדה זרימת נובעות הסדרת התמונה עבור כל בפיגור זמן בשימוש. חזור על תהליך זה מספר פעמים עם משתנה פעמים בפיגור בין המסגרות הראשונות ושניות בכל זוג מסגרת לפתרון אזורי זרימה שונים בתוך חלל המכתשית. לאחר מכן, להשתמש בתוכנית ניתוח נתונים לאחות את מפות זרימה בודדות לתוך מפה מושלמת גבוהה מפורט של תבניות זרימה על ידי חישוב ממוצע נקודות נתונים חופפים 33.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

תמונות תכנון בעזרת מחשב (CAD) ומיקרוסקופ של פלטפורמת acinar במבחנה מוצגות באיור. 1. מודל acinar biomimetic כולל חמישה דורות של הסתעפות ערוצים מלבניים מצופה חללים גליליים דמוי המכתשית (איור. 1). הנה, דורות המודל ממוספרים מדור 1 (עבור הדור הפרוקסימלי ביותר) לדור ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

תכונה קריטית של פלטפורמת acinar microfluidic המוצגת כאן היא יכולתו להתרבות תנועות נשימה מציאותיות פיסיולוגי שיוצרות פרופילי זרימה פיסיולוגיים מהירויות בתוך צינוריות acinar ובתוך alveoli. מאז ערוצי microfluidic מיוצרים עם יחס רוחב-גובה נמוך יחסית (כלומר., W ד / h

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported in part by the European Commission (FP7 Program) through a Career Integration Grant (PCIG09-GA-2011-293604), the Israel Science Foundation (Grant nr. 990/12) and the Technion Center of Excellence in Environmental Health and Exposure Science (TCEEH). Microfabrication of microfluidic chips was conducted at the Micro-Nano Fabrication Unit (MNFU) of the Technion and supported by a seed grant from the Russel Berrie Institute of Nanotechnology (RBNI) at Technion. The authors thank Avshalom Shai for assistance during deep reactive ion etching (DRIE) and Molly Mulligan and Philipp Hofemeier for helpful discussions.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Polydimethylsiloxane (PDMS) and curing agentDow Corning(240)4019862Sylgard® 184 Silicone Elastomer Kit
Plastipak 2 ml syringeBD300185
Norm-Ject Luer slip 1 ml syringeHenke Sass Wolf 4010-200V0
1 mm Biopsy punchKai MedicalBP-10F
Laboratory Corona TreaterElectro-Technic ProductsBD-20AC
PHD Ultra Syringe pumpHarvard apparatus703006
Dyed red rqueous fluorescent particlesThermo-ScientificUncatalloged 0.86 µm beads were used
Glycerin ARGadot830131320
FlowMaster MITAS micro-particle image velocimetry (µPIV) system LaVision1108630

References

  1. Kleinstreuer, C., Zhang, Z. Airflow and Particle Transport in the Human Respiratory System. Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 301-334 (2010).
  2. Sznitman, J. Respiratory microflows in the pulmonary acinus. J. Biomech. 46 (2), 284-298 (2013).
  3. Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. Gas and aerosol mixing in the acinus. Respir. Physiol. Neurobiol. 163 (1-3), 139-149 (2008).
  4. Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Donohue, J. F. Targeted Drug-Aerosol Delivery in the Human Respiratory System. Annu. Rev. Biomed. Eng. 10 (1), 195-220 (2008).
  5. Semmler-Behnke, M., Kreyling, W. G., Schulz, H., Takenaka, S., Butler, J. P., Henry, F. S., Tsuda, A. Nanoparticle delivery in infant lungs. Proc. Natl. Acad. Sci. 109 (13), 5092-5097 (2012).
  6. Sznitman, J., Heimsch, F., Heimsch, T., Rusch, D., Rosgen, T. Three-Dimensional Convective Alveolar Flow Induced by Rhythmic Breathing Motion of the Pulmonary Acinus. J. Biomech. Eng. 129 (5), 658-665 (2007).
  7. Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. Chaotic mixing of alveolated duct flow in rhythmically expanding pulmonary acinus. J. Appl. Physiol. 79 (3), 1055-1063 (1995).
  8. Henry, F. S., Butler, J. P., Tsuda, A. Kinematically irreversible acinar flow: a departure from classical dispersive aerosol transport theories. J. Appl. Physiol. 92 (2), 835-845 (2002).
  9. Kumar, H., Tawhai, M. H., Hoffman, E. A., Lin, C. L. The effects of geometry on airflow in the acinar region of the human lung. J. Biomech. 42 (11), 1635-1642 (2009).
  10. Lee, D. Y., Lee, J. W. Characteristics of particle transport in an expanding or contracting alveolated tube. J. Aerosol Sci. 34 (9), 1193-1215 (2003).
  11. Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. I. Diffusional deposition in the absence of gravity. J. Appl. Physiol. 76 (6), 2497-2509 (1994).
  12. Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. II. Gravitational sedimentation and inertial impaction. J. Appl. Physiol. 76 (76), 2510-2516 (1994).
  13. Ma, B., Darquenne, C. Aerosol bolus dispersion in acinar airways—influence of gravity and airway asymmetry. J. Appl. Physiol. 113 (3), 442-450 (2012).
  14. Ma, B., Darquenne, C. Aerosol deposition characteristics in distal acinar airways under cyclic breathing conditions. J. Appl. Physiol. 110 (5), 1271-1282 (2011).
  15. Heimsch, J., Sznitman, T., Wildhaber, J. H., Tsuda, A., Rösgen, T. Respiratory Flow Phenomena and Gravitational Deposition in a Three-Dimensional Space-Filling Model of the Pulmonary Acinar Tree. J. Biomech. Eng. 131 (3), 031010(2009).
  16. Litzlbauer, H. D., Korbel, K., Kline, T. L., Jorgensen, S. M., Eaker, D. R., Bohle, R. M., Ritman, E. L., Langheinrich, A. C. Synchrotron-Based Micro-CT Imaging of the Human Lung Acinus. Anat. Rec. Adv. Integr. Anat. Evol. Biol. 293 (9), 1607-1614 (2010).
  17. Tsuda, A., Filipovic, N., Haberthür, D., Dickie, R., Matsui, Y., Stampanoni, M., Schittny, J. C. Finite element 3D reconstruction of the pulmonary acinus imaged by synchrotron X-ray tomography. J. Appl. Physiol. 105 (3), 964-976 (2008).
  18. Berg, E. J., Weisman, J. L., Oldham, M. J., Robinson, R. J. Flow field analysis in a compliant acinus replica model using particle image velocimetry (PIV). J. Biomech. 43 (6), 1039-1047 (2010).
  19. Sznitman, J., Sutter, R., Altorfer, D., Stampanoni, M., Rösgen, T., Schittny, J. C. Visualization of respiratory flows from 3D reconstructed alveolar airspaces using X-ray tomographic microscopy. J. Vis. 13 (4), 337-345 (2010).
  20. Henry, F. S., Haber, S., Haberthür, D., Filipovic, N., Milasinovic, D., Schittny, J. C., Tsuda, A. The Simultaneous Role of an Alveolus as Flow Mixer and Flow Feeder for the Deposition of Inhaled Submicron Particles. J. Biomech. Eng. 134 (12), 121001(2012).
  21. Chhabra, S., Prasad, A. K. Flow and Particle Dispersion in Lung Acini: Effect of Geometric and Dynamic Parameters During Synchronous Ventilation. J. Fluids Eng. 133 (7), 071001(2011).
  22. Cinkotai, F. F. Fluid flow in a model alveolar sac. J. Appl. Physiol. 37 (2), 249-251 (1974).
  23. Karl, A., Henry, F. S., Tsuda, A. Low reynolds number viscous flow in an alveolated duct. J. Biomech. Eng. 126 (4), 420-429 (2004).
  24. Tippe, A., Tsuda, A. recirculating flow in an expanding alveolar model: experimental evidence of flow-induced mixing of aerosols in the pulmonary acinus. J. Aerosol Sci. 31 (8), 979-986 (2000).
  25. Berg, E. J., Robinson, R. J. Stereoscopic particle image velocimetry analysis of healthy and emphysemic alveolar sac models. J. Biomech. Eng. 133 (6), 061004(2011).
  26. Ma, B., Ruwet, V., Corieri, P., Theunissen, R., Riethmuller, M., Darquenne, C. CFD simulation and experimental validation of fluid flow and particle transport in a model of alveolated airways. J. Aerosol Sci. 40 (5), 403-414 (2009).
  27. Kumar Mahto, S., Tenenbaum-Katan, J., Sznitman, J. Respiratory Physiology on a Chip. Scientifica. 2012, e364054(2012).
  28. Huh, D., Fujioka, H., Tung, Y. C., Futai, N., Paine, R., Grotberg, J. B., Takayama, S. Acoustically detectable cellular-level lung injury induced by fluid mechanical stresses in microfluidic airway systems. Proc. Natl. Acad. Sci. 104 (48), 18886-18891 (2007).
  29. Song, Y., Baudoin, M., Manneville, P., Baroud, C. N. The air–liquid flow in a microfluidic airway tree. Med. Eng. Phys. 33 (7), 849-856 (2011).
  30. Tavana, H., Huh, D., Grotberg, J. B., Takayama, S. Microfluidics, Lung Surfactant, and Respiratory Disorders. Lab Med. 40 (4), 203-209 (2009).
  31. Huh, D., Matthews, B. D., Mammoto, A., Montoya-Zavala, M., Hsin, H. Y., Ingber, D. E. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science. 328 (5986), 1662-1668 (2010).
  32. Pihl, J., Sinclair, J., Sahlin, E., Karlsson, M., Petterson, F., J, O. lofsson, Orwar, O. Microfluidic Gradient-Generating Device for Pharmacological Profiling. Anal. Chem. 77 (13), 3897-3903 (2005).
  33. Fishler, R., Mulligan, M. K., Sznitman, J. Acinus-on-a-chip: A microfluidic platform for pulmonary acinar flows. J. Biomech. 46 (16), 2817-2823 (2013).
  34. Lindken, R., Rossi, M., Grosse, S., Westerweel, J. Micro-Particle Image Velocimetry (microPIV): recent developments, applications, and guidelines. Lab. Chip. 9 (17), 2551-2567 (2009).
  35. Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Recent Advances in Micro-Particle Image Velocimetry. Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 557-576 (2010).
  36. Bruus, H. Theoretical Microfluidics. Oxford Master Series in Condensed Matter Physics. , (2008).
  37. Haefeli-Bleuer, B., Weibel, E. R. Morphometry of the human pulmonary acinus. Anat. Rec. 220 (4), 401-414 (1988).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

Bioengineering111acinus

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved