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.

1. 마스터 제작 <ol><li> 전 작품 (32, 33)에 기재된 마스터 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위해 절연체 (SOI) 웨이퍼상의 실리콘 딥 반응성 이온 에칭 (DRIE)를 사용한다. 주 : DRIE 인해 고 종횡비 피쳐 (40 ㎛ 폭, 90 ㎛의 깊이의 트렌치)을 표준 SU-8 마이크로 것이 바람직하다. </li></ol> 2. 주조 미세 유동 장치의 씰링 <ol><li> 이러한 플라스틱 칭량 접시로 깨끗한 작은 용기 안에 1 중량 비율 : 10에서 PDMS와 경화제를 혼합한다. </li><li> 모든 기포가 제거 될 때까지 진공 데시 케이 터에서 혼합물을 탈기. 주 : 이후의 모든 단계에 대한 충분한 PDMS를 준비합니다. 1 PDMS : 경화 에이전트 혼합물 단계 2.1 및 2.2에서 제조 한 다음 아래의 약어 &quot;PDMS는&quot;탈기 (10)에 항상 의미한다. </li><li> 마스터 웨이퍼 위 대략 1 mm의 높이로 탈기 - 혼합물을 붓는다. 드가 다시 한번위한 최소40 분은 웨이퍼 위의 모든 기포를 제거하고 웨이퍼 아래에서 기포를 최소화한다. 참고 : 웨이퍼 플레이트의 바닥에 최대한 가까이 있는지 확인합니다. 웨이퍼 부드럽게 다시 한 번 2 교반 스틱 및 가스 제거를 사용하여 바닥에 필요한 누르면. </li><li> 자연 대류 오븐에서 20 분 동안 65 ° C에서 굽는다. 참고 : 20 분 후, PDMS 경화 거의 완전히 경화시킨다. 20 분의 시간을 저장하고 상기 제 PDMS 층의 밀착성을 향상하기위한 긴 시간 소성 가능한 소성이지만 첫 번째 (아래 참조). </li><li> PDMS에 접착 성을 향상시키기 위해 미세 그릿 사포를 사용하여 플라스틱 2ml의 주사기 배럴 섹션 파일. 또한, 평평한 표면에 사포를 놓고 그 위에 주사기 배럴의 바닥으로 밀어 시린지 외통의베이스 평탄화 할 사포를 사용한다. 압축 공기를 사용하여 주사기를 청소합니다. </li><li> 라와 제 PDMS 층 위에 주사기 배럴 부 배치RGE 상기 PDMS 표면을 향하는 개구 및 ~ 5mm의 높이 첫번째 위에 PDMS의 2 층을 부어 건조기로 다시 PDMS를 탈기. 참고 : 두 번째 PDMS 층 배럴 주변의 작은 용기에서 부되어야하고, 그 안에 입력하지 않아야합니다. </li><li> 자연 대류 오븐에서 적어도 2 시간 동안 65 ° C에서 전체 셋업을 굽는다. 주 : 배럴의 넓은 기재에 대해 압박 PDMS의 가중치가 고정 통 보유 이후 경화 공정 중에 발생에 배럴을 길게 할 필요가 없다. </li><li> 메스를 사용하여 마스터 웨이퍼의 패턴 화 된 영역 주위의 PDMS 몰드의 실수. 절단하는 동안, 메스 약하게 웨이퍼의 표면을 만지지해야합니다. 그런 다음, 부드럽게 같은 메스에 의해 생성 된 노치에서 웨이퍼 집게로 얇은 도구를 삽입하고 마스터 웨이퍼에서 캐스팅 PDMS를 벗겨. </li><li> 패터닝 측과 알루미늄 호일로 덮여 부드러운 표면에 캐스팅 배치위로 향하게하여 (즉. 배럴 테이블의 에지에서 정지한다)과, 1mm 생검 펀치를 사용하여 상기 챔버 입구 채널 유입구에서 PDMS 구멍 펀치. </li><li> 코트 A (탈기) (10)와 깨끗한 유리 슬라이드 : 1 PDMS : 경화 에이전트 30 초 동안 3,000 rpm에서 프로그램 스핀 코터를 이용하여 혼합물을 65 ℃에서&gt; 1 시간 동안 굽는다. 그런 다음 슬라이드를 청소하고 PDMS는 명확 테이프를 사용하여 캐스팅. </li><li> O 2 플라즈마로 PDMS 몰드와 PDMS 코팅 유리 슬라이드의 표면을 처리 (예를 들어, 핸드 헬드 코로나 treater 사용) 1 분 동안, 그리고 부드럽게 함께 표면을 누르면, 65 ° C 밤새 (O / N)에서 구워 . </li></ol> 3. 장치 충전 및 개폐 <ol><li> (w / w) 0.25 % 입자와 64/36 (v / v)의 글리세린 / 물 혼합물을 획득하기 위해 유리 병에 물, 글리세롤과 물 현탁 형광 폴리스티렌 입자를 혼합 .. </li><li> 채널 입구 위에 글리세롤 용액의 드롭 및 DI 와트 방울을 배치어 챔버 입구에, 다음 ~ 5 분 동안 건조기, 진공 내부의 장치를 배치합니다. 참고 : 팝 글리세롤 용액 및 탈 이온수의 방울에 형성하는 거품의 진공 대기를 해제하기 전에. 파괴되면 액체가 장치 내부의 빈 공간에 흡입된다. 잔류 공기가 채널 내부에 남아있는 경우 (주사기를 사용하여, 예를 들면.) 유체에 외부 압력을인가하고 공기는 PDMS로 확산 할 수있게하여 제거한다. </li><li> 상부 챔버로 DI 워터 ~ 2 mL의 주입 (즉, 주사기 배럴도. 2B)이를 물로 완전히 채워질 때까지. 그 후, 19 게이지 무딘 주사기 팁 상단 챔버를 포함 다른 무딘 19 게이지 주사기 팁의 끝을 잘라 사이드 실 입구에이 팁을 삽입합니다. 얇은 테프론 튜브와 T 자형 커넥터를 통해 1 ML의 주사기에 두 주사기의 끝을 연결합니다. 참고 : 확인하는 1 ML의 주사기, 테프론 튜브, T 형 커넥터와 상부 챔버 (2 ML의 주사기의 바엘은) 모든 거품없이 물이 가득합니다. 이는, 연결 지점을 개방 튜브의 빈 부분을 통해 물을 밀어 접속점 재 연결에 의해 달성 될 수있다. </li><li> 주사기 펌프에 한 ML의 주사기를 연결에서, 1 초에 제로 1.8 ml / 분에서, 즉 선형 램프,의 건설 (T의 기간 = 4 초에) 예를 들어 조용한 갯벌 호흡주기를 모방하기 위해 프로그램 된 사전 1.8 ml / 분 -1.8에 ml / 분 2 초와 -1.8 ml의에서 / 다시 제로로 1 초에 분. </li></ol> 4. 경로 시각화 실험 : 마이크로 입자 영상 유속계 (μPIV) <ol><li> 입자 시드 흐름 12 위상 동기 더블 프레임 화상 듀얼 프레임 다중 노출 CCD의 예 이루어진 미세 입자 화상 속도계 (μPIV) 시스템을 이용하여 - 장치가 작동되는 동안,도 9의 시리즈를 얻기 카메라 (더블 펄스 ND-YAG 레이저 (예., 1600 × 1200 픽셀에 충분한 해상도를 달성하기 위해)파장 532 nm의 출력 에너지 : 400 mJ의 펄스 지속 시간 : 4 NSEC), 그리고 거꾸로 현미경. 주 : 이러한 시스템 아래로 제 1 및 제 2 프레임 사이에 몇 마이크로의 타임 래그 프레임 쌍을 얻을 수있다. 위상 동기 두 프레임의 이미지를 달성하기 위해서는 예에서 더블 프레임 계열을 취득하는 것이 유용하다. 10 Hz로는 (프레임 쌍이 서로로부터 0.1 초만큼 분리된다). 전체 사이클 시간 (여기에서는 T = 4 초)에 의해 분리 된 모든 프레임 쌍 새로운 시계열을 이루도록 그 후, 데이터가 재구성 될 수있다. 각각의 프레임 쌍의 제 1 및 제 2 프레임 사이의 지연 시간을 변경하면서 영상 획득이 수회 반복되어야한다 (예. 100 마이크로 초 초 내지 0.1)를 치조골 캐비티 내부의 다른 흐름 영역을 해결하기 위해. 참고 : 이미지 수집 시스템의 최적의 조합에 관해서 다른 설정을 (. 즉, 카메라) 이미지 등 및 조명 소스 (즉, 레이저)마이크로 플로우도 (35) (34)을 사용할 수 있습니다. </li><li> 사용되는 각각의 시간 지연에 대한 이미지 시리즈에서 얻어진 유동장 위상 동기 속도 벡터 맵을 계산하기 위해 합계의 상관 알고리즘을 사용한다. 폐포 캐비티 내부에 다른 흐름 영역들을 해결하기위한 각 프레임 쌍의 제 1 및 제 2 프레임 사이의 지연 시간을 변경하여이 과정을 여러 번 반복. 다음으로, 오버랩 된 데이터 포인트 (33)를 함께 평균함으로써 흐름 패턴의 완전한 높은 상세한지도로 개별 흐름지도 스티치 데이터 분석 프로그램을 사용한다. </li></ol>

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D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+Advances+in+Micro-Particle+Image+Velocimetry.">Recent Advances in Micro-Particle Image Velocimetry.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 557-576 (2010).</li><li>Bruus, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+Microfluidics.">Theoretical Microfluidics.</a> Oxford Master Series in Condensed Matter Physics. , (2008).</li><li>Haefeli-Bleuer, B., Weibel, E. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphometry+of+the+human+pulmonary+acinus.">Morphometry of the human pulmonary acinus.</a> Anat. Rec. 220 (4), 401-414 (1988).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

<html> 여기에 제시된 미세 유체 선포 플랫폼의 중요한 기능은 선포 덕트 내에서 폐포 내에서 생리적 흐름 프로파일과 속도로 야기 생리 학적 사실적인 호흡 동작을 재현하는 기능입니다. 미세 유체 채널이 비교적 낮은 종횡비로 제작되어 있기 때문에 (즉., D / H ≈ 3.9, w (D)가 덕트의 폭이고, H는 덕트 높이 W), 측정 된 흐름과 비교하여보...

원심 호흡기 유동 역학의 상세한 정량화, 폐의 alveolated 영역은 폐 acinus에 공기 혼합을 이해하고 깊은기도 1-3 흡입 에어로졸의 운명을 예측으로 중요합니다. 국소 폐 위치 (4, 5)뿐만 아니라 대한 전신적 전달로 흡입 치료제의 개선 표적 약물 전달을위한 새로운 전략을 추구에 반대로 한편 흡입 오염 입자의 위험을 해결하거나 후자의 특징은 특히 관심이다. 지금까지 깊은 폐 선포 영역 호흡 흐름은 일반적으로 유체 유사성 정합 다음 전산 유체 역학 (CFD) 또는 대안 적으로 축소해서 실험 관내 모델을 사용 실리 조사되었다. 지난 몇 십 년간, CFD 방법은 점점 자장하게에서 선포 흐름 현상을 연구하기 위해 적용되었습니다전자 폐포 모델 6, 7, alveolated 덕트 8-12 개별 폐포 13-15의 수백 캡처 해부학 적 사실적인 선방 트리 alveolated 덕트의 여러 세대 구조와 최대 실리 모델에서 더 정교한. 함께 수치 노력이 선포 공기 흐름 패턴을 계속되는에 움직임을 호흡하는 동안 역할과 벽 운동의 영향에 빛을 흘리기에 중요한왔다. 호흡 운동 부재에서 정적 폐포 기능 재순환 선포 덕트와 폐포 (6, 7) 사이에는 공기의 대류 교환을 나타낼없는 그들의 공동 내에 흐른다 즉 폐포 흐름은 완전히 선포 나무 내에 유동으로부터 격리 될 공기의 교환은 확산 메커니즘에서 고유하게 발생할 것이다. 폐포 도메인의 순환 확장의 존재로, 그러나, 폐포 흐름 토폴로지 대폭 수정하고 resu된다폐포 내부 lting 흐름 패턴은 밀접하게 (예. 말초 세대 대, 근위) 선포 트리를 따라 폐포의 위치에 묶여있다. 특히, 유량 도관하는 폐포 흐름 패턴 강하게 폐포의 비율에 의해 영향을 시뮬레이션에 가설 갖도록이 비 트리 구조, 기능에 걸쳐 질량 보존 다음 비교적 큰 폐 선포 트리의 인접 세대 복잡한 순환은 돌이킬 수없는 유체 pathlines와 폐포 캐비티 내부에 흐른다. 각각의 깊은 선포 세대, 유관 유량에 폐포의 비율은 점차 말초 선포 세대 간단한 inflations와 풍선의 접힘 연상 더 레이디 얼 같은 유선을 전시하도록 감소한다. 현대 이미징 양식, 폐 영상 데이터 (16), 쥐와 마우스를 포함한 설치류, 17, 진보와 함께 첫 번째 CFD의 SIMUL의 일부에 상승을 준재구성 된 폐포의 해부학 - 재구성 선포 흐름의 관리 포인트. 이러한 유망한 진전에도 불구하고, 이러한 최근의 연구는 계속 단말 폐포 주머니 만 (18, 19) 또는 단일 덕트 (20)를 둘러싸는 몇 폐포 기류 현상 어드레스로 제한된다. 그 결과, acinus 호흡 유동 현상의 최첨단 연구가 선포 환경 2의 일반적인 해부학에서 영감을 형상에 초점을 맞춘 연구에 의해 지배 상태로 유지됩니다. 실험적인 측면에서 하나 또는 여러 개의 폐포와기도를 갖춘 다양한 설정은 년 21 ~ 24에 걸쳐 개발되었다. 그러나, 호흡과 같은 방식으로 신축에 의해 생리 호흡을 모방 할 수있는 alveolated기도 용 분기의 더 실험 모델이 존재하지 않는다. 손 매력적인 실험 플랫폼의 부족을 감안할 때, 선포 수송 현상의 연구는 valida 관련하여 제한 남아팅 계산 연구와 비판적 가능한 실험 데이터의 부족이 남아있다. . 최근, 마 등 (2009) 세 선방 세대 이루어진 acinus의 스케일링 업 강성 벽 모델을 구축했다; 그러나,이 모델의 벽 운동 부족 호흡 조건 현실적인 폐포 흐름 패턴을 캡처하기 위해 능력을 제한했다. 최근 25 도입 캐스트 복제본 해부학 적 데이터에 기초하여 이동 벽을 포함하는 다른 모델 스케일링해서 실험; 모델이 마지막 두 선포 세대 (예., 단말 주머니)를 포착 때문에, 그것은 더 근위 선포 세대 특징 복소 재순환 흐름을 포착하지 못했다. 스케일 업 실험 후자의 예로는 상기와 같은 방식으로 진행 제한 밑줄. 특히, 기존의 실험은 지금까지 따라 방사상하는 재순환에서 가정의 전환을 흐름을 보여 없다acinus하여 가장 비판적으로 아마. 실제 폐 선포 나무 (7), (15)에 존재하는 가정 흐름 토폴로지의 수치 예측을 확인, 스케일 업 실험은 매우 인해 모든 관련 비 일치에 어려움 입자 수송 및 증착 역학 (26)를 흡입 조사에서 제한된다 차원 변수 (예., 확산 입자, 서브 마이크론 입자 임계 전송 메커니즘은 완전히 무시된다). 지속적인 실험 문제, 복잡한 이동 벽에 공기 흐름 및 입자 역학 호흡의 조사를 허용하는 새로운 실험 플랫폼으로 선포 네트워크를 돕고 있습니다. 여기에, 체외 선포 모델에서 해부학 - 영감을 소개한다. 이 미세 유체 플랫폼을 모방 폐 선포는 대표 선포 규모에 직접 흐르고, 기관지 액체 플러그인 플로를 포함하는 폐 미세 유체 모델 (27)의 성장 범위를 넓혀WS 28-30와 폐포 - 모세 혈관 장벽 (31). 즉, 본 설계는 주기적으로 팽창 및 고리 운동 씬 PDMS 측벽을 둘러싸는 상부 벽이 추가로 물에 의해 변형된다 수조 내부의 제어 압력에 의해 달성된다 벽을 수축으로 단순화 다섯 생성 alveolated기도 트리 마련되어 챔버는 선포 구조 바로 위에 앉아. 일반적인 다층 미세 유동 장치와 달리,이 챔버는 단순히 PDMS 장치 안에 주사기의 배럴 부분을 매립하여 형성하고, 추가로 PDMS 몰드의 제조를 필요로하지 않는다. 여기에 제시된 방법은 소형화 선포 유동 환경의 기본 특성을 캡처하는 동안 스케일 업 모델에 비해 벽 움직이는 선포 복잡한 구조를 재생하기위한 간단하고 다양한 수단을 제공한다. 이 플랫폼은 FLO 사용될 수있다시각화 승기도 (아래 대표 결과를 참조) 내부의 유체 부유 입자를 사용하여. 가까운 미래에, 모델은 흡입 선포 입자 동력학 연구를위한 부유 입자가 사용된다.

<table><tbody><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS) and curing agent</td><td>Dow Corning</td><td>(240)4019862</td><td>Sylgard&amp;reg; 184 Silicone Elastomer Kit</td></tr><tr><td>Plastipak 2 ml syringe</td><td>BD</td><td>300185</td><td></td></tr><tr><td>Norm-Ject Luer slip 1 ml syringe</td><td>Henke Sass Wolf </td><td>4010-200V0</td><td></td></tr><tr><td>1 mm Biopsy punch</td><td>Kai Medical</td><td>BP-10F</td><td></td></tr><tr><td>Laboratory Corona Treater</td><td>Electro-Technic Products</td><td>BD-20AC</td><td></td></tr><tr><td>PHD Ultra Syringe pump</td><td>Harvard apparatus</td><td>703006</td><td></td></tr><tr><td>Dyed red rqueous fluorescent particles</td><td>Thermo-Scientific</td><td></td><td>Uncatalloged 0.86 &amp;micro;m beads were used</td></tr><tr><td>Glycerin AR</td><td>Gadot</td><td>830131320</td><td></td></tr><tr><td>FlowMaster MITAS micro-particle image velocimetry (&amp;micro;PIV) system </td><td>LaVision</td><td>1108630</td><td></td></tr></tbody></table>

a microfluidic model of biomimetically breathing pulmonary acinar airways

폐 선포 깊이 호흡기 유동 특성을 정량화 어떻게 흡입 에어로졸 수송 약물 흡입 기술을 최적화뿐만 아니라 폐의 폐포 잠재적 독성 부유 입자의 침착 패턴을 예측 향해 중요한 영향을 미친다. 여기서, 소프트 리소그래피 기술은 광 액세스 시스템 생리 선포 유동 현상을 재현 진실 해부학 길이 규모에서 복잡한 형상 선포기도 구조를 제조하는데 사용된다. 미세 유체 장치는 주기적으로 신축 벽에 alveolated 덕트 용 분기의 5 세대를 갖추고 있습니다. 벽은 구동 측면과 상기 장치의 위에서 두 얇은 PDMS 선포 채널 벽을 둘러싸고있는 물이 채워진 챔버 내부의 압력을 변경함으로써 달성된다. 여러 PDMS 몰드의 적층이 필요 일반적인 다층 미세 유동 장치와 달리 간단한 방법 가기를 제조 제시PDMS의 금형에 주사기 배럴 부분을 포함하여 실. 이 소설 미세 유체 설치 차례로 특성 선포 공기 흐름을 야기 할 생리 학적 호흡 운동을 제공합니다. 현재 연구에서, 액체 현탁 입자와 미세 입자 화상 속도계 (μPIV)는 유체 유사도 매칭에 기초하여 공기 흐름을 정량화 하였다. μPIV 결과와 예상 선포 흐름 현상 사이의 좋은 계약은 미세 유체 플랫폼은 폐의 선포 지역에서 직접 공수 대표 입자 수송 및 증착을 조사하기 위해 체외 도구에서 매력적인으로 가까운 장래에 될 수 있음을 시사한다.

체외 선포 플랫폼의 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 및 현미경 사진도 제시된다. 1. 생체 모방 선포 모델은 폐포와 같은 원통형 공동 늘어서 직사각형 채널을 (그림. 1) 분기의 다섯 세대를 갖추고 있습니다. 여기에, 모델 세대는 세대 5 세대 (1)에서 (가장 인접 세대) 번호가 (가장 말단 세대). 1 세대로 이어지는 전용 채널 입구는 PDMS의 개구부에 의해 외부 환경에 열려 있습니?...

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A Microfluidic Model of Biomimetically Breathing Pulmonary Acinar Airways

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.

폐 선포 항공 호흡 Biomimetically의 미세 유체 모델

Quantifying respiratory flow characteristics in the pulmonary acinar depths and how they influence inhaled aerosol transport is critical towards ...

a-microfluidic-model-biomimetically-breathing-pulmonary-acinar

Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.9K 조회수.  Technion - Israel Institute of Technology. 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.

비디오: A Microfluidic Model of Biomimetically Breathing Pulmonary Acinar Airways

The WinCF Model - An Inexpensive and Tractable Microcosm of a Mucus Plugged Bronchiole to Study the Microbiology of Lung Infections

Many chronic airway diseases result in mucus plugging of the airways. Lungs of an individual with cystic fibrosis are an exemplary case where their mucus-plugged bronchioles create a favorable habitat for microbial colonization. Various pathogens thrive in this environment interacting with each other and driving many of the symptoms associated with CF disease. Like any microbial community, the chemical conditions of their habitat have a significant impact on the community structure and dynamics. For example, different microorganisms thrive in differing levels of oxygen or other solute concentrations. This is also true in the CF lung, where oxygen concentrations are believed to drive community physiology and structure. The methods described here are designed to mimic the lung environment and grow pathogens in a manner more similar to that from which they cause disease. Manipulation of the chemical surroundings of these microbes is then used to study how the chemistry of lung infections governs its microbial ecology. The method, called the WinCF system, is based on artificial sputum medium and narrow capillary tubes meant to provide an oxygen gradient similar to that which exists in mucus-plugged bronchioles. Manipulating chemical conditions, such as the media pH of the sputum or antibiotics pressure, allows for visualization of the microbiological differences in those samples using colored indicators, watching for gas or biofilm production, or extracting and sequencing the nucleic acid contents of each sample.

The mucus plugged airways of cystic fibrosis (CF) patients are an ideal environment for microbial pathogens to thrive. The manuscript describes a novel method for studying the CF lung microbiome in an environment that mimics where they cause disease and how alterations of chemical conditions can drive microbial dynamics.

Many chronic airway diseases result in mucus plugging of the airways. Lungs of an individual with cystic fibrosis are an exemplary case where their ...

연구

면역학 및 감염병학

Label-free Neutrophil Enrichment from Patient-derived Airway Secretion Using Closed-loop Inertial Microfluidics

Airway secretions contain a large number of immune-related cells, e.g., neutrophils, macrophages, and lymphocytes, which can be used as a major resource to evaluate a variety of pulmonary diseases, both for research and clinical purposes. However, due to the heterogeneous and viscous nature of patient mucus, there is currently no reliable dissociation method that does not damage the host immune cells in the patient airway secretion. In this research, we introduce a sample preparation method that uses inertial microfluidics for the patient&#39;s immune assessment. Regardless of the heterogeneous fluidic properties of the clinical samples, the proposed method recovers more than 95% of neutrophils from airway secretion samples that are diluted 1,000-fold with milliliters of clean saline. By recirculating the concentrated output stream to the initial sample reservoir, a high concentration, recovery, and purity of the immune cells are provided; recirculation is considered a trade-off to the single-run syringe-based operation of inertial microfluidics. The closed-loop operation of spiral microfluidics provides leukocytes without physical or chemical disturbance, as demonstrated by the phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA)-induced elastase release of sorted neutrophils.

In this research, we demonstrate a label-free neutrophil separation method from clinical airway secretions using closed-loop operation of spiral inertial microfluidics. The proposed method would expand the clinical in vitro assays for various respiratory diseases.

폐쇄 루프 관성 마이크로 사용 하 여 환자 파생 기도 분 비에서 레이블 없는 호 중구 농축

Airway secretions contain a large number of immune-related cells, e.g., neutrophils, macrophages, and lymphocytes, which can be used as a major resource ...

Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models

Development of targeted therapies for pulmonary diseases is limited by the availability of preclinical testing methods with the ability to predict regional aerosol delivery. Leveraging 3D printing to generate patient-specific lung models, we outline the design of a high-throughput, in vitro experimental setup for quantifying lobular pulmonary deposition. This system is made with a combination of commercially available and 3D printed components and allows the flow rate through each lobe of the lung to be independently controlled. Delivery of fluorescent aerosols to each lobe is measured using fluorescence microscopy. This protocol has the potential to promote the growth of personalized medicine for respiratory diseases through its ability to model a wide range of patient demographics and disease states. Both the geometry of the 3D printed lung model and the air flow profile setting can be easily modulated to reflect clinical data for patients with varying age, race, and gender. Clinically relevant drug delivery devices, such as the endotracheal tube shown here, can be incorporated into the testing setup to more accurately predict a device&#8217;s capacity to target therapeutic delivery to a diseased region of the lung. The versatility of this experimental setup allows it to be customized to reflect a multitude of inhalation conditions, enhancing the rigor of preclinical therapeutic testing.

We present a high-throughput, in vitro method for quantifying regional pulmonary deposition at the lobe level using CT scan-derived, 3D printed lung models with tunable air flow profiles.

환자 별 3D 인쇄 폐 모델을 사용하여 지역 폐 증착 평가

Development of targeted therapies for pulmonary diseases is limited by the availability of preclinical testing methods with the ability to predict ...

생체공학

Microfluidic Model to Mimic Initial Event of Neovascularization

Neovascularization is usually initialized from an existing normal vasculature and the biomechanical microenvironment of endothelial cells (ECs) in the initial stage varies dramatically from the following process of neovascularization. Although there are plenty of models to simulate different stages of neovascularization, an in vitro 3D model that capitulates the initial process of neovascularization under the corresponding stimulations of normal vasculature microenvironments is still lacking. Here, we reconstructed an in vitro 3D model that mimics the initial event of neovascularization (MIEN). The MIEN model contains a microfluidic sprouting chip and an automatic control, highly efficient circulation system. A functional, perfusable microchannel coated with endothelium was formed and the process of sprouting was simulated in the microfluidic sprouting chip. The initially physiological microenvironment of neovascularization was recapitulated with the microfluidic control system, by which ECs would be exposed to high luminal shear stress, physiological transendothelial flow, and various vascular endothelial growth factor (VEGF) distributions simultaneously. The MIEN model can be readily applied to the study of neovascularization mechanism and holds a potential promise as a low-cost platform for drug screening and toxicology applications.

Here, we provide a microfluidic chip and an automatically controlled, highly efficient circulation microfluidic system that recapitulates the initial microenvironment of neovascularization, allowing endothelial cells (ECs) to be stimulated by high luminal shear stress, physiological level of transendothelial flow, and various vascular endothelial growth factor (VEGF) distribution simultaneously.

뇌혈관화의 초기 이벤트를 모방하는 미세 유체 모델

Neovascularization is usually initialized from an existing normal vasculature and the biomechanical microenvironment of endothelial cells (ECs) in the ...

A Microphysiological System to Study Leukocyte-Endothelial Cell Interaction during Inflammation

Leukocyte-endothelial cell interactions play an important role in inflammatory diseases such as sepsis. During inflammation, excessive migration of activated leukocytes across the vascular endothelium into key organs can lead to organ failure. A physiologically relevant biomimetic microfluidic assay (bMFA) has been developed and validated using several experimental and computational techniques, which can reproduce the entire leukocyte rolling/adhesion/migration cascade to study leukocyte-endothelial cell interactions. Microvascular networks obtained from in vivo images in rodents were digitized using a Geographic Information System (GIS) approach and microfabricated with polydimethylsiloxane (PDMS) on a microscope slide. To study the effect of shear rate and vascular topology on leukocyte-endothelial cell interactions, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model was developed to generate a corresponding map of shear rates and velocities throughout the network. The bMFA enables the quantification of leukocyte-endothelial cells interactions, including rolling velocity, number of adhered leukocytes in response to different shear rates, number of migrated leukocytes, endothelial cell permeability, adhesion molecule expression and other important variables. Furthermore, by using human-related samples, such as human endothelial cells and leukocytes, bMFA provides a tool for rapid screening of potential therapeutics to increase their clinical translatability.

In this protocol, a biomimetic microfluid assay, which can reproduce a physiologically relevant microvascular environment and reproduce the entire leukocyte adhesion/migration cascade, is employed to study leukocyte-endothelial cell interactions in inflammatory disease.

염증 중 백혈구-내피 세포 상호작용을 연구하는 미생리학적 시스템

Leukocyte-endothelial cell interactions play an important role in inflammatory diseases such as sepsis. During inflammation, excessive migration of ...

Imaging-Guided Bioreactor for Generating Bioengineered Airway Tissue

Repeated injury to airway tissue can impair lung function and cause chronic lung disease, such as chronic obstructive pulmonary disease. Advances in regenerative medicine and bioreactor technologies offer opportunities to produce lab-grown functional tissue and organ constructs that can be used to screen drugs, model disease, and engineer tissue replacements. Here, a miniaturized bioreactor coupled with an imaging modality that allows in situ visualization of the inner lumen of explanted rat trachea during in vitro tissue manipulation and&#160;culture is described. Using this bioreactor, the protocol demonstrates imaging-guided selective removal of endogenous cellular components while preserving the intrinsic biochemical features and ultrastructure of the airway tissue matrix. Furthermore, the delivery, uniform distribution, and subsequent prolonged culture of exogenous cells on the decellularized airway lumen with optical monitoring in situ are shown. The results highlight that the imaging-guided bioreactor can potentially be used to facilitate the generation of functional in vitro airway tissues.

The protocol describes an imaging-enabled bioreactor that allows the selective removal of the endogenous epithelium from the rat trachea and homogenous distribution of exogenous cells on the lumen surface, followed by long-term in vitro culture of the cell-tissue construct.

생체 공학 기도 조직 생성을 위한 영상 유도 생물반응기

Repeated injury to airway tissue can impair lung function and cause chronic lung disease, such as chronic obstructive pulmonary disease. Advances in ...

Preparation and Structural Evaluation of Epithelial Cell Monolayers in a Physiologically Sized Microfluidic Culture Device

In vitro microfluidic experimentation holds great potential to reveal many insights into the microphysiological phenomena occurring in conditions such as acute respiratory distress syndrome (ARDS) and ventilator-induced lung injury (VILI). However, studies in microfluidic channels with dimensions physiologically relevant to the terminal bronchioles of the human lung currently face several challenges, especially due to difficulties in establishing appropriate cell culture conditions, including media flow rates, within a given culture environment. The presented protocol describes an image-based approach to evaluate the structure of NCI-H441 human lung epithelial cells cultured in an oxygen-impermeable microfluidic channel with dimensions physiologically relevant to the terminal bronchioles of the human lung. Using phalloidin-based filamentous-actin staining, the cytoskeletal structures of the cells are revealed by confocal laser scanning microscopy, allowing for the visualization of individual as well as layered cells. Subsequent quantification determines whether the cell culture conditions being employed are producing uniform monolayers suitable for further experimentation. The protocol describes cell culture and layer evaluation methods in microfluidic channels and traditional fixed-well environments. This includes channel construction, cell culture and requisite conditions, fixation, permeabilization and staining, confocal microscopic imaging, image processing, and data analysis.

The presented protocol describes the development and use of a phalloidin-based filamentous-actin staining technique with confocal laser scanning microscopy (CLSM) to visualize adherent cell layer structure in microfluidic dynamic-culture channels and traditional fixed-well static-culture chambers. This approach aids in evaluating cell layer confluency, monolayer formation, and layer-thickness uniformity.

생리학적 크기의 미세유체 배양 장치에서 상피 세포 단층의 준비 및 구조 평가

In vitro microfluidic experimentation holds great potential to reveal many insights into the microphysiological phenomena occurring in conditions such as ...

호흡기 감염 연구를 위한 Lung-on-Chip 모델 구축

Immunocompetent Alveolus-on-Chip Model for Studying Alveolar Mucosal Immune Responses

We introduce an advanced immunocompetent lung-on-chip model designed to replicate the human alveolar structure and function. This innovative model employs a microfluidic-perfused biochip that supports an air-liquid interface mimicking the environment in the human alveoli. Tissue engineering is used to integrate key cellular components, including endothelial cells, macrophages, and epithelial cells, to create a representative tissue model of the alveolus. The model facilitates in-depth examinations of the mucosal immune responses to various pathogens, including viruses, bacteria, and fungi, thereby advancing our understanding of lung immunity. The primary goal of this protocol is to provide details for establishing this alveolus-on-chip model as a robust in vitro platform for infection studies, enabling researchers to closely observe and analyze the complex interactions between pathogens and the host's immune system within the pulmonary environment. This is achieved through the application of microfluidic-based techniques to simulate key physiological conditions of the human alveoli, including blood flow and biomechanical stimulation of endothelial cells, alongside maintaining an air-liquid interface crucial for the realistic exposure of epithelial cells to air. The model system is compatible with a range of standardized assays, such as immunofluorescence staining, cytokine profiling, and colony-forming unit (CFU)/plaque analysis, allowing for comprehensive insights into immune dynamics during infection. The Alveolus-on-chip is composed of essential cell types, including human distal lung epithelial cells (H441) and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) separated by porous polyethylene terephthalate (PET) membranes, with primary monocyte-derived macrophages strategically positioned between the epithelial and endothelial layers. The tissue model enhances the ability to dissect and analyze the nuanced factors involved in pulmonary immune responses in vitro. As a valuable tool, it should contribute to the advancement of lung research, providing a more accurate and dynamic in vitro model for studying the pathogenesis of respiratory infections and testing potential therapeutic interventions.

저자 스포트라이트: 인간 면역 반응 및 감염 메커니즘에 대한 심층 연구를 위한 미세유체 폐-온-칩 모델 개발

Lung-on-chip models surpass traditional 2D cultures by mimicking the air-liquid interface and endothelial cell perfusion, simulating blood flow and nutrient exchange crucial for lung physiology studies. This enhances lung research relevance, offering a dynamic, physiologically accurate environment to advance the understanding and treatment of respiratory infections.

폐포 점막 면역 반응을 연구하기 위한 면역 유능한 폐포-온-칩 모델

We introduce an advanced immunocompetent lung-on-chip model designed to replicate the human alveolar structure and function. This innovative model employs ...

폐 선포 항공 호흡 Biomimetically의 미세 유체 모델

요약

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폐포 점막 면역 반응을 연구하기 위한 면역 유능한 폐포-온-칩 모델

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