Name: a microfluidic model of biomimetically breathing pulmonary acinar airways
Uploaded: 2016-05-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 39 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Microfluidic Model of Biomimetically Breathing Pulmonary Acinar Airways at JoVE.com

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. Ana Fabrikasyon <ol><li> Eski eserler 32, 33 anlatıldığı gibi bir ana silikon gofret imal etmek yalıtkan (SOI) gofret bir silikon derin reaktif iyon aşındırma (DRIE) kullanın. NOT: DRIE nedeniyle yüksek en-boy oranı özellikleri (40 mikron genişliğinde ve 90 mikron derin çukurlar) standart SU-8 mikroişleme tercih edilir. </li></ol> 2. Döküm ve mikroakışkan Aygıt Sızdırmazlık <ol><li> örneğin, bir plastik tartım kabına gibi temiz küçük bir kap içinde 1 ağırlık oranı 10 PDMS ve sertleştirme ajanı karıştırılır. </li><li> tüm hava kabarcıkları bertaraf edilinceye kadar, vakum altında bir desikatör içinde karışım gaz çıkışına. NOT: Tüm sonraki basamaklar için yeterli PDMS hazırlayın. 1 PDMS: kür-agent karışımı adımları 2.1 ve 2.2 hazırlanan İşte aşağıda, kısaltması &quot;PDMS&quot; Gazı alınmış 10 her zaman ifade eder. </li><li> ana gofret üzerinde yaklaşık 1 mm yüksekliğe kadar gazdan arındırılmış-karışımı dökün. Gazını bir kez daha en az40 dakika gofret üzerindeki tüm hava kabarcıklarını çıkarmak ve gofret altında kabarcıkları en aza indirmek için. NOT: gofret plakanın alt mümkün olduğunca yakın olduğundan emin olun. gofret nazikçe bir kez daha 2 karıştırma çubukları ve Degas kullanarak alt gerekli basın edin. </li><li> doğal konveksiyon fırınında 20 dakika boyunca 65 ° C&#39;de pişirin. NOT: 20 dakika sonra PDMS sertleştirilmiş ve neredeyse tamamen tedavi edilir. 20 dakika zaman kazandırır ve ikinci PDMS tabakanın yapışmasını artırır için daha uzun bir pişirme süresi mümkün olan pişirme iken birinci (aşağıya bakınız). </li><li> PDMS bağlılığı geliştirmek için iyi bir kum zımpara kağıdı kullanarak plastik 2 ml şırınga namlu bölümünü Dosya. Buna ek olarak, düz bir yüzey üzerine zımpara kağıdı yerleştirerek ve bunun üstüne şırınga haznesinin tabanını kaydırarak şırınga haznesinin tabanını düzleştirmek için kum kağıdı kullanın. Basınçlı hava ile şırınga temizleyin. </li><li> la ilk PDMS tabakanın üzerine şırınganın kefe bölümünü yerleştirinRGE PDMS bakan yüzeyi açılması ve ~ 5 mm bir yüksekliğe birincinin üstüne PDMS ikinci tabaka dökülür, ve bir kurutucuda tekrar PDMS şekilde gaz. NOT: İkinci PDMS katmanı varil çevresinde küçük kaptan dökülmelidir, ve içinde girmemeniz gerekir. </li><li> doğal konveksiyon fırınında, en az 2 saat boyunca 65 ° C&#39;de tüm kurulum fırında. Not: namlu geniş tabanı karşı bastıran PDMS sıkıca yerinde varil tutacağından sertleştirme işlemleri sırasında yer varil tutmaya gerek yoktur. </li><li> Bir neşter kullanılarak ana gofret desenli bölgenin çevresinde PDMS kalıp kesti. kesim sırasında, neşter zayıf gofret yüzeyine temas etmelidir. Sonra, yavaşça böyle neşter tarafından oluşturulan çentik gofret forseps gibi ince bir aracı takın ve ana gofret döküm PDMS soyulabilir. </li><li> desenli tarafı alüminyum folyo ile kaplanmış yumuşak bir yüzeye yerleştirin dökümyukarı bakacak şekilde (yani., namlu masanın kenarına asmak gerekir), ve 1 mm biyopsi yumruk kullanarak odası giriş ve kanal girişinde PDMS bir delik. </li><li> Coat (gazı alınmış) 10 ile temiz bir cam slayt: 1 PDMS: sertleştirme ajan 30 saniye boyunca 3000 rpm&#39;de programlanan bir eğirme kaplayıcı kullanılarak kanşım, 65 ° C&#39;de&gt; 1 saat boyunca pişirilir. Sonra, slayt temizlemek ve PDMS net bant kullanarak attı. </li><li> O 2 plazma PDMS kalıp ve PDMS kaplı cam slayt yüzeyini tedavi (örneğin, elde tutulan bir korona işleyicisinde kullanılarak) 1 dakika süre ile ve daha sonra yavaşça bir araya yüzeyleri basın, 65 ° C&#39;de, gece boyunca (O / N) fırında . </li></ol> 3. Cihaz Dolum ve Aktivasyon <ol><li> (Ağırlık / ağırlık) partikülleri% 0.25 ile 64/36 (h / h) gliserol / su karışımı elde etmek için, bir cam şişe içinde, su ve gliserin su süspanse flüoresan polistiren partikülleri karıştırın .. </li><li> kanal giriş üstünde gliserol çözeltisi, bir damla DI wat bir damla yerleştirinER odası girişine, daha sonra ~ 5 dakika boyunca bir kurutucu ve vakum içinde cihazı yerleştirin. NOT: pop gliserol çözeltisi ve DI su damlaları formu kabarcıkları vakum bekleyin bırakmadan önce. Vakum serbest bırakıldıktan sonra sıvılar cihazın içindeki boşluklara emilir. Artık hava kanalları içinde kalırsa, (bir şırınga kullanılarak, örneğin.) Sıvıların dış baskı uygulayarak ve hava PDMS içine yayılmasını sağlayarak ortadan kaldırmak. </li><li> En odasına DI su ~ 2 ml enjekte edilir (örneğin, şırınga haznesi, Şek. 2b) tamamen su ile doldurulur kadar. Sonra, bir 19 gauge künt şırınga ucu ile üst odasını kapak başka künt 19 gauge enjektör ucu ucu kesilmiş ve yan odası girişine bu uç takın. İnce teflon tüp ve bir T-şekilli bir konektör yoluyla bir 1 ml şırınga iki şırınga uçlarının bağlayın. NOT: emin olun 1 ml şırınga, teflon tüp, T şeklinde konnektör ve üst kamara (2 ml şırınga barrel) tüm kabarcıklar olmadan su ile doldurulur. Bu, bağlantı noktalarının açılması borunun boş bölümleri ile su itme ve bağlantı noktalarını yeniden bağlantı sağlanabilir. </li><li> Bir şırınga pompasına 1 ml şırınga Connect, 1 saniye sıfır 1.8 ml / dak, yani doğrusal rampa, inşa (T bir süre = 4 sn), örneğin bir normal nefes alıp döngüsü taklit etmek için önceden programlanan 1.8 mL / dakika -1.8 ml / dak 2 saniye ve -1.8 ml / sıfıra 1 sn dak. </li></ol> 4. Akış Görselleştirme Deneyleri: Mikro-parçacık Görüntü Akımları (μPIV) <ol><li> parçacık numaralı seribaşı akışının 12 faz-kilitli, çift çerçeve görüntüleri çift çerçeve çoklu pozlama CCD örneğin oluşan mikro-parçacık görüntüleyerek hız ölçümü (μPIV) sistemi kullanılarak - Cihaz harekete edilirken, 9 bir dizi elde kamera (bir çift darbeli Nd-YAG lazer (örneğin., 1600 × 1200 piksel yeterli çözünürlük elde etmek için)dalga boyu: 532 nm, çıkış enerjisi: 400 mJ, darbe süresi: 4 nsn) ile nano ve bir ters mikroskop. NOT: Böyle bir sistem aşağı birinci ve ikinci kare arasında birkaç mikrosaniye kadar bir gecikme ile çerçeve çiftleri elde yeteneğine sahiptir. Faz-kilitli çift çerçeve görüntüleri elde etmek için, örneğin bir çift çerçeve serisi elde etmek yararlıdır., 10 Hz (çerçeve çiftleri birbirinden 0,1 saniye ile ayrılır). Tam bir döngü süresi (burada T = 4 sn) ayrılır tüm çerçeve çiftleri yeni bir zaman serisi oluşturmak, böylece daha sonra veri yeniden olabilir. Her kare çifti birinci ve ikinci kareler arasındaki gecikme süresini değiştirirken görüntü elde etme birkaç kez tekrarlanması gerekir (yani., 100 mikro-sn sn ile 0.1) alveol boşluğunun içine farklı akış bölgeleri çözmek için. Not: görüntü alma sistemlerinin en iyi kombinasyonları açısından alternatif kurulumları (., Yani kamera) görüntü gibi ve aydınlatma kaynakları (yani, lazerler)Mikroakışlar, aynı zamanda 35 34 mevcuttur. </li><li> kullanılan her zaman gecikme için resim serisi kaynaklanan akış alanının faz-kilitli hız vektör haritaları hesaplamak için bir miktar-of-korelasyon algoritması kullanın. Alveoler boşluğunun içine farklı akış bölgeleri çözülmesi için her kare çifti birinci ve ikinci kare arasındaki gecikme sürelerinin Bu işlemi birkaç kez tekrarlayın. Sonra, üst üste veri noktalarını 33 ortalama ile birlikte akış modelleri tam ve yüksek detaylı harita içine bireysel akış haritaları dikiş için bir veri analizi programı kullanın. </li></ol>

<ol>
	<li>Kleinstreuer, C., Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Airflow+and+Particle+Transport+in+the+Human+Respiratory+System.">Airflow and Particle Transport in the Human Respiratory System.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 301-334 (2010).</li><li>Sznitman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Respiratory+microflows+in+the+pulmonary+acinus.">Respiratory microflows in the pulmonary acinus.</a> J. Biomech. 46 (2), 284-298 (2013).</li><li>Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gas+and+aerosol+mixing+in+the+acinus.">Gas and aerosol mixing in the acinus.</a> Respir. Physiol. Neurobiol. 163 (1-3), 139-149 (2008).</li><li>Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Donohue, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+Drug-Aerosol+Delivery+in+the+Human+Respiratory+System.">Targeted Drug-Aerosol Delivery in the Human Respiratory System.</a> Annu. Rev. Biomed. Eng. 10 (1), 195-220 (2008).</li><li>Semmler-Behnke, M., Kreyling, W. G., Schulz, H., Takenaka, S., Butler, J. P., Henry, F. S., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoparticle+delivery+in+infant+lungs.">Nanoparticle delivery in infant lungs.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 109 (13), 5092-5097 (2012).</li><li>Sznitman, J., Heimsch, F., Heimsch, T., Rusch, D., Rosgen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-Dimensional+Convective+Alveolar+Flow+Induced+by+Rhythmic+Breathing+Motion+of+the+Pulmonary+Acinus.">Three-Dimensional Convective Alveolar Flow Induced by Rhythmic Breathing Motion of the Pulmonary Acinus.</a> J. Biomech. Eng. 129 (5), 658-665 (2007).</li><li>Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chaotic+mixing+of+alveolated+duct+flow+in+rhythmically+expanding+pulmonary+acinus.">Chaotic mixing of alveolated duct flow in rhythmically expanding pulmonary acinus.</a> J. Appl. Physiol. 79 (3), 1055-1063 (1995).</li><li>Henry, F. S., Butler, J. P., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinematically+irreversible+acinar+flow:+a+departure+from+classical+dispersive+aerosol+transport+theories.">Kinematically irreversible acinar flow: a departure from classical dispersive aerosol transport theories.</a> J. Appl. Physiol. 92 (2), 835-845 (2002).</li><li>Kumar, H., Tawhai, M. H., Hoffman, E. A., Lin, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effects+of+geometry+on+airflow+in+the+acinar+region+of+the+human+lung.">The effects of geometry on airflow in the acinar region of the human lung.</a> J. Biomech. 42 (11), 1635-1642 (2009).</li><li>Lee, D. Y., Lee, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characteristics+of+particle+transport+in+an+expanding+or+contracting+alveolated+tube.">Characteristics of particle transport in an expanding or contracting alveolated tube.</a> J. Aerosol Sci. 34 (9), 1193-1215 (2003).</li><li>Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+alveolated+duct+structure+on+aerosol+kinetics.+I.+Diffusional+deposition+in+the+absence+of+gravity.">Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. I. Diffusional deposition in the absence of gravity.</a> J. Appl. Physiol. 76 (6), 2497-2509 (1994).</li><li>Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+alveolated+duct+structure+on+aerosol+kinetics.+II.+Gravitational+sedimentation+and+inertial+impaction.">Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. II. Gravitational sedimentation and inertial impaction.</a> J. Appl. Physiol. 76 (76), 2510-2516 (1994).</li><li>Ma, B., Darquenne, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerosol+bolus+dispersion+in+acinar+airways&#8212;influence+of+gravity+and+airway+asymmetry.">Aerosol bolus dispersion in acinar airways&#8212;influence of gravity and airway asymmetry.</a> J. Appl. Physiol. 113 (3), 442-450 (2012).</li><li>Ma, B., Darquenne, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerosol+deposition+characteristics+in+distal+acinar+airways+under+cyclic+breathing+conditions.">Aerosol deposition characteristics in distal acinar airways under cyclic breathing conditions.</a> J. Appl. Physiol. 110 (5), 1271-1282 (2011).</li><li>Heimsch, J., Sznitman, T., Wildhaber, J. H., Tsuda, A., R&#246;sgen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Respiratory+Flow+Phenomena+and+Gravitational+Deposition+in+a+Three-Dimensional+Space-Filling+Model+of+the+Pulmonary+Acinar+Tree.">Respiratory Flow Phenomena and Gravitational Deposition in a Three-Dimensional Space-Filling Model of the Pulmonary Acinar Tree.</a> J. Biomech. Eng. 131 (3), 031010 (2009).</li><li>Litzlbauer, H. D., Korbel, K., Kline, T. L., Jorgensen, S. M., Eaker, D. R., Bohle, R. M., Ritman, E. L., Langheinrich, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synchrotron-Based+Micro-CT+Imaging+of+the+Human+Lung+Acinus.">Synchrotron-Based Micro-CT Imaging of the Human Lung Acinus.</a> Anat. Rec. Adv. Integr. Anat. Evol. Biol. 293 (9), 1607-1614 (2010).</li><li>Tsuda, A., Filipovic, N., Haberth&#252;r, D., Dickie, R., Matsui, Y., Stampanoni, M., Schittny, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+element+3D+reconstruction+of+the+pulmonary+acinus+imaged+by+synchrotron+X-ray+tomography.">Finite element 3D reconstruction of the pulmonary acinus imaged by synchrotron X-ray tomography.</a> J. Appl. Physiol. 105 (3), 964-976 (2008).</li><li>Berg, E. J., Weisman, J. L., Oldham, M. J., Robinson, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+field+analysis+in+a+compliant+acinus+replica+model+using+particle+image+velocimetry+(PIV).">Flow field analysis in a compliant acinus replica model using particle image velocimetry (PIV).</a> J. Biomech. 43 (6), 1039-1047 (2010).</li><li>Sznitman, J., Sutter, R., Altorfer, D., Stampanoni, M., R&#246;sgen, T., Schittny, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualization+of+respiratory+flows+from+3D+reconstructed+alveolar+airspaces+using+X-ray+tomographic+microscopy.">Visualization of respiratory flows from 3D reconstructed alveolar airspaces using X-ray tomographic microscopy.</a> J. Vis. 13 (4), 337-345 (2010).</li><li>Henry, F. S., Haber, S., Haberth&#252;r, D., Filipovic, N., Milasinovic, D., Schittny, J. C., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Simultaneous+Role+of+an+Alveolus+as+Flow+Mixer+and+Flow+Feeder+for+the+Deposition+of+Inhaled+Submicron+Particles.">The Simultaneous Role of an Alveolus as Flow Mixer and Flow Feeder for the Deposition of Inhaled Submicron Particles.</a> J. Biomech. Eng. 134 (12), 121001 (2012).</li><li>Chhabra, S., Prasad, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+and+Particle+Dispersion+in+Lung+Acini:+Effect+of+Geometric+and+Dynamic+Parameters+During+Synchronous+Ventilation.">Flow and Particle Dispersion in Lung Acini: Effect of Geometric and Dynamic Parameters During Synchronous Ventilation.</a> J. Fluids Eng. 133 (7), 071001 (2011).</li><li>Cinkotai, F. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+flow+in+a+model+alveolar+sac.">Fluid flow in a model alveolar sac.</a> J. Appl. Physiol. 37 (2), 249-251 (1974).</li><li>Karl, A., Henry, F. S., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+reynolds+number+viscous+flow+in+an+alveolated+duct.">Low reynolds number viscous flow in an alveolated duct.</a> J. Biomech. Eng. 126 (4), 420-429 (2004).</li><li>Tippe, A., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=recirculating+flow+in+an+expanding+alveolar+model:+experimental+evidence+of+flow-induced+mixing+of+aerosols+in+the+pulmonary+acinus.">recirculating flow in an expanding alveolar model: experimental evidence of flow-induced mixing of aerosols in the pulmonary acinus.</a> J. Aerosol Sci. 31 (8), 979-986 (2000).</li><li>Berg, E. J., Robinson, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stereoscopic+particle+image+velocimetry+analysis+of+healthy+and+emphysemic+alveolar+sac+models.">Stereoscopic particle image velocimetry analysis of healthy and emphysemic alveolar sac models.</a> J. Biomech. Eng. 133 (6), 061004 (2011).</li><li>Ma, B., Ruwet, V., Corieri, P., Theunissen, R., Riethmuller, M., Darquenne, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CFD+simulation+and+experimental+validation+of+fluid+flow+and+particle+transport+in+a+model+of+alveolated+airways.">CFD simulation and experimental validation of fluid flow and particle transport in a model of alveolated airways.</a> J. Aerosol Sci. 40 (5), 403-414 (2009).</li><li>Kumar Mahto, S., Tenenbaum-Katan, J., Sznitman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Respiratory+Physiology+on+a+Chip.">Respiratory Physiology on a Chip.</a> Scientifica. 2012, e364054 (2012).</li><li>Huh, D., Fujioka, H., Tung, Y. C., Futai, N., Paine, R., Grotberg, J. B., Takayama, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustically+detectable+cellular-level+lung+injury+induced+by+fluid+mechanical+stresses+in+microfluidic+airway+systems.">Acoustically detectable cellular-level lung injury induced by fluid mechanical stresses in microfluidic airway systems.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 104 (48), 18886-18891 (2007).</li><li>Song, Y., Baudoin, M., Manneville, P., Baroud, C. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+air&#8211;liquid+flow+in+a+microfluidic+airway+tree.">The air&#8211;liquid flow in a microfluidic airway tree.</a> Med. Eng. Phys. 33 (7), 849-856 (2011).</li><li>Tavana, H., Huh, D., Grotberg, J. B., Takayama, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics,+Lung+Surfactant,+and+Respiratory+Disorders.">Microfluidics, Lung Surfactant, and Respiratory Disorders.</a> Lab Med. 40 (4), 203-209 (2009).</li><li>Huh, D., Matthews, B. D., Mammoto, A., Montoya-Zavala, M., Hsin, H. Y., Ingber, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstituting+Organ-Level+Lung+Functions+on+a+Chip.">Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip.</a> Science. 328 (5986), 1662-1668 (2010).</li><li>Pihl, J., Sinclair, J., Sahlin, E., Karlsson, M., Petterson, F., J, O. l. o. f. s. s. o. n., Orwar, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+Gradient-Generating+Device+for+Pharmacological+Profiling.">Microfluidic Gradient-Generating Device for Pharmacological Profiling.</a> Anal. Chem. 77 (13), 3897-3903 (2005).</li><li>Fishler, R., Mulligan, M. K., Sznitman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acinus-on-a-chip:+A+microfluidic+platform+for+pulmonary+acinar+flows.">Acinus-on-a-chip: A microfluidic platform for pulmonary acinar flows.</a> J. Biomech. 46 (16), 2817-2823 (2013).</li><li>Lindken, R., Rossi, M., Grosse, S., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-Particle+Image+Velocimetry+(microPIV):+recent+developments,+applications,+and+guidelines.">Micro-Particle Image Velocimetry (microPIV): recent developments, applications, and guidelines.</a> Lab. Chip. 9 (17), 2551-2567 (2009).</li><li>Wereley, S. T., Meinhart, C. 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> Burada sunulan mikroakışkan asiner platformunun kritik bir özelliği asiner kanalları içinde ve alveoller içinde fizyolojik akım profilleri ve hızları doğuran fizyolojik gerçekçi nefes hareketleri çoğaltmak için yeteneğidir. Mikroakışkan kanal nispeten düşük bir en boy oranına sahip üretildiği (örn., D / h ≈ 3.9, G D kanalı genişliği ve H kanalı yükseltir w), ölçülen akımları kıyasla daha fazl...

Distalinde solunum akış dinamikleri ayrıntılı ölçümü, akciğer Hücreli bölgeleri pulmoner acinus hava akımı karıştırma anlamak ve derin solunum yolları 1-3 inhale aerosollerin kaderini tahmin yönelik her şeyden önemlidir. Lokalize akciğer siteleri 4, 5 yanı sıra sistemik teslim inhale tedavilerin geliştirilmesi ve hedeflenen ilaç dağıtım için yeni stratejiler arayan tersine bir yandan solunan kirletici partiküllerin tehlikeleri ele ya da bu ikinci yönü özellikle endişe vericidir. Bugüne kadar, derin akciğer asiner bölgelerinde solunum akışları genellikle hidrodinamik benzerlik eşleştirme aşağıdaki hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) veya alternatif ölçekli yukarı deneysel modelleri ile in vitro kullanılarak siliko incelenmiştir. Son birkaç on yıl içinde, CFD yöntemleri giderek singl gelen asiner akış olayları incelemek için uygulanmıştıre Alveoler modelleri 6, 7 ve Hücreli kanallar 8-12 bireysel alveol 13-15 birkaç yüz yakalama anatomik-gerçekçi asiner ağaç Hücreli kanalların birden nesiller ile yapıları ve yukarı siliko modellerinde daha ayrıntılı. Birlikte, sayısal çabalar asiner hava akımı desenleri izleyen on hareketleri nefes sırasında rolü ve duvar hareketi etkisi aydınlatan önemli olmuştur. Solunum hareketinin yokluğunda, statik alveol özelliği sirkülasyon asinar kanal ve alveol 6, 7 arasındaki hava Resim konvektif değişimini gösteren kendi boşlukları içinde akar; diğer bir deyişle, alveoler akımları tamamen asinar ağaç içindeki akışların izole edilecek ve hava değişimi pasif mekanizmalardan benzersiz neden olur. Alveoler etki halkalı açılımları varlığı ile, ancak, alveol akış topolojileri ölçüde değiştirilmiş ve resu vardıralveol içinde sonuçtaki akış modelleri yakından (örn. uzak nesiller vs, proksimal) asiner ağacının boyunca alveol konumuna bağlıdır. Özellikle, debileri duktal alveoler akış modelleri kuvvetle alveolar oranı etkilenir simülasyonlarda sürülmüştür şekilde bu oranın bir ağaç yapısı, özelliği genelinde kitlesel korunması aşağıdaki nispeten büyük pulmoner asiner ağacının, yakın nesiller karmaşık çevrimli geri dönüşümsüz sıvı yol çizgileri ile alveol boşluklarında içinde akar. Her derin asiner nesil, duktal akış hızlarına alveoler oranının kademeli olarak uzak asiner nesiller basit enflasyon ve bir balonun kapanmalara anımsatan daha radyal gibi akıcılık sergileyen böyle azalır. Modern görüntüleme yöntemleri, akciğer görüntüleme verileri 16, sıçan ve fare gibi kemirgenler, 17, gelişmeler ile ilk CFD Simul bazı yol açmıştıryeniden Alveollerde anatomik-yeniden asiner akışlarının ations. Böyle umut verici gelişmelere rağmen, bu yeni çalışmalar hala terminali alveoler keseler sadece 18, 19 ya da tek bir kanalı 20 çevreleyen birkaç alveol içinde hava akımı olayları ele sınırlıdır. Sonuç olarak, acinus solunum akış olayların state-of-the-art araştırmalar asiner ortamının 2 jenerik anatomik esinlenen geometrileri odaklanarak çalışmalar hakim kalır. Deneysel tarafında, bir ya da birkaç alveollerin sahip bir hava yolu içeren çeşitli kurulumları yıllar 21-24 fazla geliştirilmiştir. Oysa, bir nefes gibi moda genişleterek ve taahhüt tarafından fizyolojik solunum taklit yeteneğine sahip Hücreli hava yolları çatallanan hiçbir deneysel modeller mevcuttur. eldeki cazip deneysel platformlarda eksikliği göz önüne alındığında, asiner taşınım olayları çalışma VALIDA konusunda sınırlı kalmıştırting hesaplama çalışmaları ve eleştirel, mevcut deneysel veriler bir eksiklik kalır. . Son yıllarda, Ma ve ark (2009) üç asiner nesillerin oluşan acinus bir ölçekli kadar sert duvar modeli inşa ettik; Bununla birlikte, bu modelde duvarı hareket eksikliği solunum koşulları altında gerçekçi alveoler akış modelleri yakalama kapasitesini sınırlamıştır. Son zamanlarda 25 tanıtıldı döküm kopyadan anatomik verilere dayalı bir hareketli duvar modeli de dahil olmak üzere diğer ölçekli yukarı deneyleri; modeli sadece son iki asiner nesilleri (yani. terminal keseler) yakalanan beri, ancak, daha yakın asiner nesiller belirleyen karmaşık sirkülasyon akışlarını yakalamak için başarısız oldu. ölçekli-up deneyler bu son örnekler, bu tür yaklaşımlarla sürekli sınırlamalar altını çizmektedir. Özellikle, herhangi bir mevcut deney şimdiye kadar birlikte radyal çevrimli gelen hipotezi geçiş akımlarının göstermiştiracinus ve böylece en kritik Belki. gerçek pulmoner asiner ağaçları 7, 15 varolduğu varsayılmış akış topolojileri sayısal tahminler teyit ölçekli-up deneyleri son derece nedeniyle ilgili tüm olmayan eşleşen zorluklara parçacık taşıma ve biriktirme dinamikleri 26 inhale araştıran sınırlıdır boyutlu parametreleri (örn., parçacık yayılması, mikron altı parçacıklar için kritik bir taşıma mekanizması, tamamen ihmal edilmiştir) hazırlandı. Devam eden deneysel zorluklar, karmaşık hareketli duvarlar hava akımları ve parçacık dinamiği solunum soruşturma izni yeni deneysel platformlarla asiner ağlar aranır. Burada, in vitro asiner modelinde anatomik esinlenen bir tanıtıldı. Bu mikroakışkan platformu taklit pulmoner asiner temsilcisi asiner ölçekte doğrudan akar ve bronş sıvı plug-flo dahil olmak üzere akciğer mikroakışkan modeller 27 büyüyen dizi, genişletmektedirws 28-30 ve alveoler-kapiller bariyer 31. Yani, mevcut tasarım döngüsel genişleyen ve döngüsel hareketleri ince PDMS yanal duvarlar çevreleyen ve üst duvar ilave su ile deforme nerede bir su haznesi içerisindeki kontrol basıncı ile elde edilir duvarlar, sözleşme ile basitleştirilmiş beş nesil Hücreli havayolu ağacı özellikleri kamara asiner yapısı üzerinde doğrudan oturan. Ortak tabakalı mikroakışkan cihazlar farklı olarak, bu odacık, sadece PDMS cihazın içinde, bir şırınga kefe bölümünü gömme oluşturduğu ve ek bir PDMS kalıp hazırlanması gerekli değildir. Burada sunulan minyatür yaklaşım asiner akış ortamının temel özelliklerini çekerken ölçekli kadar olan modeller ile karşılaştırıldığında duvarları hareketli karmaşık asiner yapılar çoğaltmak için basit ve çok yönlü bir araç sunmaktadır. Bu platform flo için kullanılabilirgörselleştirme w hava yollarının (aşağıda Temsilcisi Sonuçlar bakınız) içindeki sıvı asılı parçacıklar kullanarak. Yakın gelecekte, model inhale asiner parçacık dinamiği incelemek için havadaki partikülleri ile kullanılacaktır.

<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

Pulmoner asiner derinliklerinde solunum akış özelliklerini miktarının ve nasıl inhale aerosol taşıma ilaç inhalasyon teknikleri optimize yanı sıra akciğer alveol potansiyel toksik havadaki partiküllerin çökelme kalıplarını tahmin eleştirmekte etkilemektedir. Burada, yumuşak litografi teknikleri optik erişilebilir sistemde fizyolojik asiner akış olayları yeniden doğru anatomik uzunluk-ölçeklerde karmaşık asiner benzeri solunum yolu yapıları imal etmek için kullanılır. Mikroakışkan cihaz belirli aralıklarla genişleyen ve taahhüt duvarları ile Hücreli kanalları çatallanan 5 kuşak bulunuyor. Duvar Tetikleme iki cihazın üstten hem de ince PDMS asinar kanal duvarları çevreleyen su ile dolu odacığı içindeki basınç değiştirilmesiyle elde edilir. Birkaç PDMS kalıpların istifleme gerekli ortak tabakalı mikroakışkan cihazlar, aksine, basit bir yöntem üst imal edilmesi için sunulmuşturPDMS kalıp içine şırınga varil bölümünü gömerek odası. Bu yeni mikroakışkan kurulum sırayla karakteristik asiner hava akımlarının ortaya çıkmasına neden fizyolojik solunum hareketleri sunar. Bu çalışmada, bir sıvı süspansiyon halindeki partiküllerin mikro görüntüleme ölçümleri (μPIV) hidrodinamik uygunluğunun göre akışlarının, hava ölçmek için kullanılmıştır. ΜPIV sonuçları ve beklenen asiner akış fenomenler arasında iyi bir anlaşma mikroakışkan platformu akciğerlerin asiner bölgelerinde doğrudan havadan temsilcisi parçacık ulaşım ve birikimini araştırmak için in vitro aracında çekici olarak yakın gelecekte hizmet olabileceğini düşündürmektedir.

In vitro asiner platformunun bilgisayar destekli tasarım (CAD) ve mikroskop görüntüleri Şekil sunulmaktadır. 1. Biomimetic asiner modeli alveoler gibi silindirik boşluklar ile kaplı dikdörtgen kanallar (Şek. 1) dallanma beş nesildir sahiptir. Burada model nesil nesil 5 kuşağa 1 (en yakın nesil için) numaralandırılmıştır (en distal nesil için). Kuşak 1 giden sadece kanal girişi PDMS bir açıklık vasıtası ile dış ortama açık olduğunu not edin. Kuş...

Watch this Scientific Journal Video about A Microfluidic Model of Biomimetically Breathing Pulmonary Acinar Airways at JoVE.com

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.

Pulmoner Asiner Airways Solunum Biomimetically bir mikroakışkan Modeli

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 Görüntüleme.  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.

Video: 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.

WinCF Modeli - Bir Mukus bir Ucuz ve Çekilebilir Microcosm Akciğer İnfeksiyonları Mikrobiyoloji Eğitim için bronşiole Takıldı

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

İmmünoloji ve Enfeksiyon

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.

Kapalı çevrim atalet Havacilik kullanarak hasta kaynaklı hava yolu salgı dan etiket içermeyen nötrofil zenginleştirme

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.

Hastaya Özgü 3D Baskılı Akciğer Modelleri Kullanılarak Bölgesel Pulmoner Birikimin Değerlendirilmesi

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

Biyomühendislik

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.

Neovaskülarizasyonun İlk Olayını Taklit Etmek için Mikroakışkan Model

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.

Enflamasyon Sırasında Lökosit-Endotelyal Hücre Etkileşimini İnceleyen Mikrofizyolojik Bir Sistem

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.

Biyomühendislik hava yolu dokusu üretmek için görüntüleme kılavuzlu biyoreaktör

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.

Fizyolojik Boyutta Bir Mikroakışkan Kültür Cihazında Epitel Hücre Tek Katmanlarının Hazırlanması ve Yapısal Değerlendirilmesi

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

Solunum Yolu Enfeksiyonu Çalışmaları için Çip Üzerinde Akciğer Modeli Oluşturulması

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.

Yazar Spotlight: İnsan Bağışıklık Tepkisi ve Enfeksiyon Mekanizmalarının Derinlemesine İncelenmesi için Mikroakışkan Çip Üzerinde Akciğer Modeli Geliştirme

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.

Alveolar mukozal immün yanıtları incelemek için immünokompetan alveol-çip üzerinde model

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

Pulmoner Asiner Airways Solunum Biomimetically bir mikroakışkan Modeli

Özet

Daha Fazla Video Keşfet

Bu videodaki bölümler

WinCF Modeli - Bir Mukus bir Ucuz ve Çekilebilir Microcosm Akciğer İnfeksiyonları Mikrobiyoloji Eğitim için bronşiole Takıldı

Kapalı çevrim atalet Havacilik kullanarak hasta kaynaklı hava yolu salgı dan etiket içermeyen nötrofil zenginleştirme

Hastaya Özgü 3D Baskılı Akciğer Modelleri Kullanılarak Bölgesel Pulmoner Birikimin Değerlendirilmesi

Neovaskülarizasyonun İlk Olayını Taklit Etmek için Mikroakışkan Model

Enflamasyon Sırasında Lökosit-Endotelyal Hücre Etkileşimini İnceleyen Mikrofizyolojik Bir Sistem

Biyomühendislik hava yolu dokusu üretmek için görüntüleme kılavuzlu biyoreaktör

Fizyolojik Boyutta Bir Mikroakışkan Kültür Cihazında Epitel Hücre Tek Katmanlarının Hazırlanması ve Yapısal Değerlendirilmesi

Alveolar mukozal immün yanıtları incelemek için immünokompetan alveol-çip üzerinde model

Alveolar mukozal immün yanıtları incelemek için immünokompetan alveol-çip üzerinde model

Alveolar mukozal immün yanıtları incelemek için immünokompetan alveol-çip üzerinde model