Name: meso-scale particle image velocimetry studies of neurovascular flows in vitro
Uploaded: 2018-12-03T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Meso-Scale Particle Image Velocimetry Studies of Neurovascular Flows In Vitro at JoVE.com

Författarna erkänner delvis stöd för detta projekt som tillhandahålls av Collaborative utsäde bidrag från Office of Research och ekonomisk utveckling på UC Riverside.

1. ABS-baserade uppoffrande mögel tillverkning
<ol><li>Designa en inverterad modell av önskad vävnad phantom med hjälp av CAD-program.</li>
	<li>Skriv ut den modell som använder en 3D-skrivare med ABS som byggmaterial.</li>
</ol>2. PDMS-baserade vaskulär Phantom Fabrication
<ol><li>
Blanda
	<ol>
<li>Blanda PDMS prepolymer bas och härdare i förhållandet 10:1 (viktprocent). en 66 g blandning ger tillräckligt material för tillverkning av fantomer med volymer upp till 5...

<ol>
	<li>Grant, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+image+velocimetry:+A+review.">Particle image velocimetry: A review.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 211 (1), 55-76 (1997).</li><li>Lindken, R., Rossi, M., Gro&#223;e, 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+(&#181;PIV):+Recent+developments,+applications,+and+guidelines.">Micro-Particle Image Velocimetry (&#181;PIV): Recent developments, applications, and guidelines.</a> Lab on a Chip. 9 (17), 2551 (2009).</li><li>Hove, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intracardiac+fluid+forces+are+an+essential+epigenetic+factor+for+embryonic+cardiogenesis.">Intracardiac fluid forces are an essential epigenetic factor for embryonic cardiogenesis.</a> Nature. 421, 172 (2003).</li><li>Ando, J., Yamamoto, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vascular+Mechanobiology.">Vascular Mechanobiology.</a> Circulation Journal. 73 (11), 1983-1992 (2009).</li><li>Conway, D. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+Shear+Stress+on+Endothelial+Cells+Modulates+Mechanical+Tension+across+VE-Cadherin+and+PECAM-1.">Fluid Shear Stress on Endothelial Cells Modulates Mechanical Tension across VE-Cadherin and PECAM-1.</a> Current Biology. 23 (11), (2013).</li><li>Kuhlencordt, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accelerated+Atherosclerosis,+Aortic+Aneurysm+Formation,+and+Ischemic+Heart+Disease+in+Apolipoprotein+E/Endothelial+Nitric+Oxide+Synthase+Double-Knockout+Mice.">Accelerated Atherosclerosis, Aortic Aneurysm Formation, and Ischemic Heart Disease in Apolipoprotein E/Endothelial Nitric Oxide Synthase Double-Knockout Mice.</a> Circulation. 104 (4), 448-454 (2001).</li><li>Lieber, B. B., Stancampiano, A. P., Wakhloo, 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=Alteration+of+hemodynamics+in+aneurysm+models+by+stenting:+Influence+of+stent+porosity.">Alteration of hemodynamics in aneurysm models by stenting: Influence of stent porosity.</a> Annals of Biomedical Engineering. 25 (3), 460-469 (1997).</li><li>Bulusu, K. V., Plesniak, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+Investigation+of+Secondary+Flow+Structures+Downstream+of+a+Model+Type+IV+Stent+Failure+in+a+180&#176;+Curved+Artery+Test+Section.">Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180&#176; Curved Artery Test Section.</a> Journal of Visualized Experiments. (113), e51288 (2016).</li><li>Tseng, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+organization+of+the+extracellular+matrix+regulates+cell-cell+junction+positioning.">Spatial organization of the extracellular matrix regulates cell-cell junction positioning.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (5), 1506-1511 (2012).</li><li>Shavit, U., Lowe, R. J., Steinbuck, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intensity+Capping:+a+simple+method+to+improve+cross-correlation+PIV+results.">Intensity Capping: a simple method to improve cross-correlation PIV results.</a> Experiments in Fluids. 42 (2), 225-240 (2007).</li><li>Raffel, M., Willert, C. E., Werely, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle Image Velocimetry: a Practical Guide. , (2007).</li><li>Kerl, H. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implantation+of+Pipeline+Flow-Diverting+Stents+Reduces+Aneurysm+Inflow+Without+Relevantly+Affecting+Static+Intra-aneurysmal+Pressure.">Implantation of Pipeline Flow-Diverting Stents Reduces Aneurysm Inflow Without Relevantly Affecting Static Intra-aneurysmal Pressure.</a> Neurosurgery. 74 (3), 321-334 (2014).</li><li>Lieber, B. B., Livescu, V., Hopkins, L. N., Wakhloo, 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=Particle+Image+Velocimetry+Assessment+of+Stent+Design+Influence+on+Intra-Aneurysmal+Flow.">Particle Image Velocimetry Assessment of Stent Design Influence on Intra-Aneurysmal Flow.</a> Annals of Biomedical Engineering. 30 (6), 768-777 (2002).</li><li>Charonko, J., Karri, S., Schmieg, J., Prabhu, S., Vlachos, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro,+time-resolved+PIV+comparison+of+the+effect+of+stent+design+on+wall+shear+stress.">In vitro, time-resolved PIV comparison of the effect of stent design on wall shear stress.</a> Annals of Biomedical Engineering. 37 (7), 1310-1321 (2009).</li><li>Rand, P. W., Lacombe, E., Hunt, H. E., Austin, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscosity+of+normal+human+blood+under+normothermic+and+hypothermic+conditions.">Viscosity of normal human blood under normothermic and hypothermic conditions.</a> Journal of Applied Physiology. 19 (1), 117-122 (1964).</li><li>Kenner, T., Leopold, H., Hinghofer-Szalkay, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+continuous+high-precision+measurement+of+the+density+of+flowing+blood.">The continuous high-precision measurement of the density of flowing blood.</a> Pfl&#252;gers Archiv European Journal of Physiology. 370 (1), 25-29 (1977).</li><li>Hoyt, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+Table+of+the+Refractive+Index+of+Pure+Glycerol+at+20&#176;C.">New Table of the Refractive Index of Pure Glycerol at 20&#176;C.</a> Industrial &amp; Engineering Chemistry. 26 (3), 329-332 (1934).</li><li>Cai, Z., Qiu, W., Shao, G., Wang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+fabrication+method+for+all-PDMS+waveguides.">A new fabrication method for all-PDMS waveguides.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 204, 44-47 (2013).</li><li>Bouillot, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+imaging+velocimetry+evaluation+of+intracranial+stents+in+sidewall+aneurysm:+hemodynamic+transition+related+to+the+stent+design.">Particle imaging velocimetry evaluation of intracranial stents in sidewall aneurysm: hemodynamic transition related to the stent design.</a> PloS ONE. 9 (12), 113762 (2014).</li><li>Trager, A. L., Sadasivan, C., Lieber, B. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+in+vitro+hemodynamic+performance+of+new+flow+diverters+for+bypass+of+brain+aneurysms.">Comparison of the in vitro hemodynamic performance of new flow diverters for bypass of brain aneurysms.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 134 (8), 084505 (2012).</li><li>Clauser, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Novel+Plasma-Based+Fluid+for+Particle+Image+Velocimetry+(PIV):+In-Vitro+Feasibility+Study+of+Flow+Diverter+Effects+in+Aneurysm+Model.">A Novel Plasma-Based Fluid for Particle Image Velocimetry (PIV): In-Vitro Feasibility Study of Flow Diverter Effects in Aneurysm Model.</a> Annals of Biomedical Engineering. 46 (6), 841-848 (2018).</li><li>Johnston, I. D., McCluskey, D. K., Tan, C. K. L., Tracey, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+characterization+of+bulk+Sylgard+184+for+microfluidics+and+microengineering.">Mechanical characterization of bulk Sylgard 184 for microfluidics and microengineering.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (3), 035017 (2014).</li><li>Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solvent+Compatibility+of+Poly(dimethylsiloxane)-Based+Microfluidic+Devices.">Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices.</a> Analytical Chemistry. 75 (23), 6544-6554 (2003).</li><li>Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+PIV+Algorithm+for+Estimating+Time-Averaged+Velocity+Fields.">A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields.</a> Journal of Fluids Engineering. 122 (2), 285 (2000).</li><li>Bosbach, J., K&#252;hn, M., Wagner, C., Raffel, M., Resagk, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-Scale+Particle+Image+Velocimetry+of+Natural+and+Mixed+Convection.">Large-Scale Particle Image Velocimetry of Natural and Mixed Convection.</a> 13th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. , (2006).</li><li>Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PIV+measurements+of+a+microchannel+flow.">PIV measurements of a microchannel flow.</a> Experiments in Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).</li><li>Lima, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+blood+flow+in+a+rectangular+PDMS+microchannel:+experimental+observations+using+a+confocal+micro-PIV+system.">In vitro blood flow in a rectangular PDMS microchannel: experimental observations using a confocal micro-PIV system.</a> Biomedical Microdevices. 10 (2), 153-167 (2008).</li><li>Kuo, C. -. C., Mao, R. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+Precision+Surface+Polishing+System+for+Parts+Fabricated+by+Fused+Deposition+Modeling.">Development of a Precision Surface Polishing System for Parts Fabricated by Fused Deposition Modeling.</a> Materials and Manufacturing Processes. 31 (8), 1113-1118 (2016).</li><li>Kang, K., Oh, S., Yi, H., Han, S., Hwang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+truly+3D+microfluidic+channel+using+3D-printed+soluble+mold.">Fabrication of truly 3D microfluidic channel using 3D-printed soluble mold.</a> Biomicrofluidics. 12 (1), 014105 (2018).</li><li>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=Particle+Image+Velocimetry.">Particle Image Velocimetry.</a> Current Science. 79 (1), 51-60 (2000).</li><li>Dellenback, P. A., Macharivilakathu, J., Pierce, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contrast-enhancement+techniques+for+particle-image+velocimetry.">Contrast-enhancement techniques for particle-image velocimetry.</a> Applied Optics. 39 (32), 5978-5990 (2000).</li><li>Cowen, E. A., Monismith, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hybrid+digital+particle+tracking+velocimetry+technique.">A hybrid digital particle tracking velocimetry technique.</a> Experiments in Fluids. 22 (3), 199-211 (1997).</li><li>Gruen, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptive+least+squares+correlation:+a+powerful+image+matching+technique.">Adaptive least squares correlation: a powerful image matching technique.</a> South African Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Cartography. 14 (3), 175-187 (1985).</li><li>Nogueira, J., Lecuona, A., Rodr&#237;guez, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Data+validation,+false+vectors+correction+and+derived+magnitudes+calculation+on+PIV+data.">Data validation, false vectors correction and derived magnitudes calculation on PIV data.</a> Measurement Science and Technology. 8 (12), 1493-1501 (1997).</li><li>Loudon, C., Tordesillas, 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+Use+of+the+Dimensionless+Womersley+Number+to+Characterize+the+Unsteady+Nature+of+Internal+Flow.">The Use of the Dimensionless Womersley Number to Characterize the Unsteady Nature of Internal Flow.</a> Journal of Theoretical Biology. 191 (1), 63-78 (1998).</li><li>Drost, S., De Kruif, B. J., Newport, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Arduino+control+of+a+pulsatile+flow+rig.">Arduino control of a pulsatile flow rig.</a> Medical Engineering and Physics. 51, 67-71 (2017).</li><li>Tsai, W., Sava&#351;, &. #. 2. 1. 4. ;. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+pumping+system+for+physiological+waveforms.">Flow pumping system for physiological waveforms.</a> Medical &amp; Biological Engineering &amp; Computing. 48 (2), 197-201 (2010).</li><li>Kato, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contrast-enhanced+2D+cine+phase+MR+angiography+for+measurement+of+basilar+artery+blood+flow+in+posterior+circulation+ischemia.">Contrast-enhanced 2D cine phase MR angiography for measurement of basilar artery blood flow in posterior circulation ischemia.</a> American Journal of Neuroradiology. 23 (8), 1346-1351 (2002).</li></ol>

Protokollet beskrivs häri skisserar en förenklad metod för att utföra PIV studier för att visualisera neurovaskulära flödar på fysiologiskt relevanta dimensioner och flödet villkorar in vitro. Så tjänar det till att komplettera protokoll som rapporterats av andra som har också fokus på att förenkla kvantifiering av vektorfält, men inom mycket olika sammanhang som kräver övervägande av långt större längd skalar25 eller lägre flöde priser26<sup...

PIV används ofta i experimentell strömningsmekanik för flöde visualisering och kvantitativa undersökningar av flytande rörelse som varierar i längd skala från atmosfäriska till blodcirkulationens flöden1,2,3. Detaljerna i dess genomförande kan variera så mycket som dess tillämpningar, är en aspekt som är gemensamma för nästan alla PIV studier användningen av video avbildning av tracer partiklar seedade inom arbetsvätskan, följt av en parvisa analys av på varandra följande bild ramar att extrahera den önskade flödesegenskaper. Detta görs normalt genom första delas varje bildram i mindre regioner kallas förhör windows. Till följd av slumpmässiga positioner av spridda partiklarna innehåller varje förhör fönstret en unik distribution av pixel stödnivåer. Om andelen fönster storlek och data förvärv väljer lämpligt, kan cross-korrelation av intensitet signalera i varje fönster användas att uppskatta den genomsnittliga förskjutningen inom regionen. Slutligen, med tanke på att förstoringen och bildfrekvens är kända experimentella parametrar, en momentan hastighet vektorfält kan lätt beräknas.
En stor fördel med PIV över enpunkts-mätteknik är dess förmåga att mappa vektorfält över en två - eller tredimensionella domän. Hemodynamiska tillämpningar, i synnerhet, har gynnats av denna kapacitet, eftersom det gör en grundlig utredning av lokala flöden som är känd för att spela en betydande roll i vaskulär sjukdom eller remodeling (t.ex., åderförkalkning, angiogenes) 4 , 5 , 6. Detta har också varit sant för utvärdering av neurovaskulära flöden och interaktioner därav med transluminal (t.ex., flöde fördelare, stent, intrasaccular spolar), sedan de relevanta längd-skalorna i sådana tillämpningar kan sträcker sig över ofta en eller flera tiopotenser (t.ex., från mikrometer millimetern), och enheten geometri och placering kan väsentligt påverka den lokala strömningslära7.
De flesta grupper bedriver PIV-baserade hemodynamiska studier har förlitat sig på experimentella uppställningar som efterliknar nära några av de tidigaste undersökningarna av stent inflytande på vaskulär flöde7,8. Vanligtvis, dessa inkluderar en) pulsade lasrar och höghastighets kameror, att fånga hög hastighet flöden; (b) synkroniserare, att förhindra aliasing mellan puls frekvens av laser och kameran förvärv bildfrekvensen; (c) cylindriska optik, att bilda ett ljus blad och, således, minimera bakgrund fluorescensen från tracer partiklar över och under förhör planet; (d) för kommersiella nyckelfärdiga system, proprietär programvarupaket, att utföra cross-korrelation analyser. Men medan vissa program kräver den prestanda eller mångsidighet kollektivt ges av dessa komponenter, många andra inte. Dessutom de höga kostnaderna för kommersiellt odlade vävnad fantomer som recapitulate önskad vaskulära strukturer kan också bevisa att begränsa för många in vitro- studier, särskilt fantomer med har för det överbryggar den tem-regimen (> 500 USD / Phantom). Häri, redovisar vi utvecklingen av ett förenklat protokoll för att genomföra PIV för in vitro- visualisering av neurovaskulära flöden, som vanligtvis ligger både rumsligt och temporally inom tem regimen (dvslängdskalor sträcker sig från submillimeter millimeter och hastigheter upp till tiotals millimeter/sekund). Protokollet syftar till att utnyttja resurser redan till förfogande för många bioengineering forskare, sålunda sänkanden inträdeshindret för nonexperts.
Det första elementet i detta protokoll innebär användning av en investering gjutning teknik att aktivera in-house tillverkning av transparent, Polydimetylsiloxan (PDMS)-baserat vävnad fantomer från 3-D-tryckt uppoffrande formar. Genom att utnyttja den ökande tillgången till 3D-skrivare under de senaste åren, särskilt de i delade/multi-användare faciliteter (t.ex., institutionella faciliteter eller offentlig makerspaces), denna metod minskar kostnaderna betydligt (t ex, < 100 USD/phantom i fall presenteras här), och möjliggöra en snabb vändning för tillverkning av ett brett utbud av mönster och geometrier. I det nuvarande protokollet, en smält nedfall modellering system används med akrylnitril-butadien-styren (ABS) som byggmaterial och den tryckta delen fungerar som en uppoffrande mögel för efterföljande phantom gjutning. Vår erfarenhet har visat att ABS är lämpade för sådan användning eftersom den är löslig i vanliga lösningsmedel (t.ex., aceton), och den har tillräcklig hållfasthet och styvhet att upprätthålla mögel integritet efter avlägsnande av stöd materialet (t.ex., till förhindra deformation eller fraktur av diminutiva mögel funktioner). I det nuvarande protokollet säkerställs mögel integritet ytterligare med hjälp av tryckta solidmodeller, även om detta sker på bekostnad av ökad upplösning tid. Användningen av ihåliga modeller kan också vara möjligt i vissa fall, att förbättra solvent tillgång och därmed minska upplösning tid. Dock försiktig bör man överväga om att detta kan ha på mögel integritet. Slutligen, medan phantoms fabricerade häri är baserade på idealiserade representationer av neurovaskulära strukturer genereras med hjälp av en vanliga programpaket för datorstödd konstruktion (CAD), protokollet förväntas vara mottagliga för tillverkning av mer komplexa , patientspecifika geometrier samt (t.ex. via användning av modellfiler som genereras av omvandlingen av kliniska imaging data till den. STL filformat som används av de flesta 3D-skrivare). Ytterligare information om phantom tillverkningsprocessen finns i avsnitt 2 i protokollet.
Det andra elementet i protokollet innebär användning av en öppen källkod plug-in för ImageJ att genomföra den cross-korrelation analyser9. Detta är kopplat till genomförandet av ett system för enkla statistiska tröskelvärde (dvsintensitet tak)10 att förbättra bilden signalen före cross-korrelation, liksom ett valideringsschema postcorrelation vector, de normaliserade Median test (NMT), att eliminera falska vektorer genom en jämförelse av varje till dess närmaste grannar11. Kollektivt, tillåter detta imaging att utföras med hjälp av utrustning som vanligtvis hittas i många bioengineering laboratorier, vilket eliminerar behovet av förvärvet av många av de kostsamma komponenterna i typiska PIV system (t.ex., det Pulsade laser, Synchronizer, cylindriska optik och proprietär programvara). Ytterligare information om de video samling, bildbehandling och analys av data finns i avsnitt 5 och 6 i protokollet.
Figur 1 illustrerar PIV set-up används i detta protokoll, som förlitar sig på fluorescens Mikroskop utrustat med en höghastighetskamera för imaging, samt en extern, kontinuerlig vitt ljus källa (dvs, metallhalogen lampa) för genom mål volymetriska belysning. En variabel hastighet kugghjulspump används för att införa recirkulerande flödet av en transparent håna blod lösning genom neurovaskulära vävnad phantoms. Lösningen består av en 60: 40 blandning av avjoniserat vatten (DI) och glycerol, som är en vanlig ersättning för blod i hemodynamiska studier12,13,14, tack vare en) dess liknande densitet och viskositet (dvs. 1.080 kg/m3 och 3,5 cP vs 1 050 kg/m3 och 3-5 cP för blod)15,16; (b) dess öppenhet i det synliga området; (c) dess liknande brytningsindex som PDMS (1,38 vs. 1,42 för PDMS)17,18,19,20, vilket minimerar optisk förvrängning; (d) den lätthet med vilken icke-newtonska beteende kan införas, om det behövs, via tillägg av xanthane21. Slutligen används fluorescerande polystyren pärlor som tracer partiklar (10,3 µm i diameter, 480 nm/501 nm excitation/utsläpp). Medan neutralt buoyant pärlor önskas, kan sourcing tracer partiklar med optimal vätska mekaniska egenskaper (t.ex., densitet, storlek, sammansättning) och utsläpp våglängd vara utmanande. Pärlorna används häri är exempelvis något mindre tät än glycerol lösningen (1 050 kg/m3 vs 1.080 kg/m3). Dock de hydrodynamiska effekterna, därav, är försumbar, eftersom varaktigheten av en typisk experiment är betydligt kortare än den tidsskala som förknippas med flytkraft effekter (dvs, 5 min och 20 min, respektive). Vidare finns information om håna blod lösning formulering och in vitro- cirkulationssystemet set-up i avsnitten 3 och 4 i protokollet.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1024px;" width="1022">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Solidworks 2015</td>
			<td style="width:147px;">Dassault Systems</td>
			<td style="width:153px;">N/A</td>
			<td style="width:361px;">CAD Software&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Dow Corning Sylgard 184 Kit</td>
			<td style="width:147px;">Ellsworth Adhesive</td>
			<td style="width:153px;">184 SIL ELAST KIT 3.9KG</td>
			<td>PDMS Kit</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Stratasys Dimension Elite</td>
			<td style="width:147px;">Stratasys</td>
			<td style="width:153px;">9180-00105</td>
			<td>3D printer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">P430 Model Material Cartridge</td>
			<td style="width:147px;">Stratasys</td>
			<td style="width:153px;">340-21202</td>
			<td>ABS build material&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">P400 SR Soluble Support Material Cartridge</td>
			<td style="width:147px;">Stratasys</td>
			<td style="width:153px;">340-30200</td>
			<td>Support material</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">CleanStation DT3</td>
			<td style="width:147px;">PM3 Technologies</td>
			<td style="width:153px;">00-00300R</td>
			<td>Base bath</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Lindberg Blue M LGO Box Furnace&#160;</td>
			<td style="width:147px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:153px;">LB305745M</td>
			<td>Oven</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">21G BD PrecisionGlide Needle</td>
			<td style="width:147px;">Betcon Dickenson</td>
			<td style="width:153px;">BD 305167</td>
			<td>Branching perforator mold segment</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Desiccator (Vacuum)</td>
			<td style="width:147px;">Polylab</td>
			<td style="width:153px;">55205</td>
			<td>Desiccator</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Branson 1800 Utrasonic Cleaning</td>
			<td style="width:147px;">Branson</td>
			<td>CPX-952-116R</td>
			<td>Sonicator</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Acetone</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Chemical</td>
			<td style="width:153px;">A9494</td>
			<td>Acetone</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Isopropol Alcohol</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Chemical</td>
			<td style="width:153px;">A4514</td>
			<td>Isopropol Alcohol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Glycerol</td>
			<td style="width:147px;">Fisher Chemical</td>
			<td style="width:153px;">GW33500</td>
			<td>Glycerol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">10um Polystyrene Yellow-Green Fluorescent Particles</td>
			<td style="width:147px;">Magsphere</td>
			<td style="width:153px;">PSF-010UM</td>
			<td>Fluorescent beads</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Phantom Miro&#160;</td>
			<td style="width:147px;">Vision Research</td>
			<td style="width:153px;">Miro M310</td>
			<td>High speed camera</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Micropump</td>
			<td style="width:147px;">Cole-Parmer</td>
			<td style="width:153px;">81101</td>
			<td>Recirculating pump</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Leica DM2000</td>
			<td style="width:147px;">Leica Microsystems</td>
			<td style="width:153px;">DM2000</td>
			<td>Fluorescent Microscope</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Leica 10X Objective</td>
			<td style="width:147px;">Leica Microsystems</td>
			<td style="width:153px;">506259</td>
			<td>Objective for perforator</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Leica 2.5X Objective</td>
			<td style="width:147px;">Leica Microsystems</td>
			<td style="width:153px;">11506083</td>
			<td>Objective aneurysm sac</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Leica Blue Filter Cube L5</td>
			<td style="width:147px;">Leica Microsystems</td>
			<td style="width:153px;">513840</td>
			<td>Blue filter cube</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Leica EL6000</td>
			<td style="width:147px;">Leica Microsystems</td>
			<td style="width:153px;">11504115</td>
			<td>Light source</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Alconox</td>
			<td style="width:147px;">Alconox Inc</td>
			<td style="width:153px;">1104-1</td>
			<td>Detergent</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">ImageJ</td>
			<td style="width:147px;">NIH</td>
			<td style="width:153px;">N/A</td>
			<td style="width:361px;">Open source image analysis software 
			https://imagej.nih.gov/ij/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:363px;">Particle Image Velocimetry PIV Plugin</td>
			<td style="width:147px;">Qingson Tseng</td>
			<td style="width:153px;">N/A</td>
			<td>https://sites.google.com/site/qingzongtseng/piv</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

meso-scale particle image velocimetry studies of neurovascular flows in vitro

Particle image velocimetry (PIV) används i en mängd olika områden, på grund av möjlighet det ger för exakt visualisera och kvantifiera flöden över ett flertal spatiotemporal olika. Dess genomförande kräver dock normalt att utnyttja dyra och specialiserade instrumentation, som begränsar dess bredare verktyg. Dessutom, inom området bioteknik, in vitro- flöde visualisering studier finns också ofta ytterligare begränsas av de höga kostnaderna för kommersiellt odlade vävnad fantomer som recapitulate önskad anatomiska strukturer, särskilt för dem som span tem regimen (dvs, submillimeter till millimeter längdskalor). Häri, presenterar vi en förenklad experimentella protokoll som utvecklats för att hantera dessa begränsningar, de viktigaste inslagen som inkluderar 1) en relativt billig metod för att fabricera tem vävnad fantomer med hjälp av 3D-utskrifter och silikon gjutning, och 2) en öppen källkod bild analys och bearbetning ram som minskar efterfrågan på instrumenteringen för mäta tem flöden (dvs, hastigheter upp till tiotals millimeter/sekund). Kollektivt, sänker detta inträdeshindret för nonexperts, genom att utnyttja resurser redan till förfogande för många bioengineering forskare. Vi demonstratethe tillämpligheten av detta protokoll inom ramen för neurovaskulära flöde karakterisering; men förväntas det vara relevanta för ett bredare spektrum av tem applikationer i bioteknik och bortom.

Figur 2 illustrerar PDMS vävnad phantom tillverkningsprocessen. Phantoms utformad häri är avsedda för studiet av flödet i idealized wide-necked, saccular, intrakraniella aneurysm, samt proximala förgrenade perforator artärer. Viktigt ytterligare design funktioner inkluderar 1) en gemensam reservoar som alla fartyg rinna in, för att säkerställa skuldfria vätska avstigning från phantom - annars, droplet bildandet kan uppstå på mindre fartyg verksa...

Watch this Scientific Journal Video about Meso-Scale Particle Image Velocimetry Studies of Neurovascular Flows In Vitro at JoVE.com

Meso-Scale Particle Image Velocimetry Studies of Neurovascular Flows In Vitro

Här presenterar vi förenklade metoder för fabricera transparent neurovaskulära fantomer och karaktärisera flödet däri. Vi lyfter fram flera viktiga parametrar och visa deras förhållande till fältet noggrannhet.

Meso-Scale Particle Image Velocimetry studier av neurovaskulära flödar In Vitro

Particle image velocimetry (PIV) is used in a wide variety of fields, due to the opportunity it provides for precisely visualizing and quantifying flows ...

Denna metod kan hjälpa till att besvara viktiga frågor inom området för bioteknik, särskilt de som rör hemodynamik och deras interaktioner med intervaskulära enheter. Den största fördelen med denna teknik är att den använder sig av utrustning som redan finns i de flesta bioengineering laboratorier och detta kan bidra till att minska hindret för inträde för icke-experter. Blanda PDMS prepolymer-basen i härdningsmedel i ett 10 till ett förhållande i vikt.En 66 grams blandning ger tillräckligt material för tillverkning av fantomer med volymer upp till 50 kubikcentimeter. Placera blandningen i ett vakuum desiccator i 60 minuter för att de-gas och minimera bubblan entrapment. Använd cyklisk trycksättning trycksättning för att underlätta bubbla bristning.För att utföra gjutning montera den tryckta ABS mögel på ett glas slide med hjälp av formningsset för att täta gränssnittet. Häll försiktigt PDMS blandningen i formen samtidigt som man försöker minimera bubblan entrapment. Kvardröjande bubblor kan manuellt brusna med hjälp av en nål.Härda bort gjutna fanten i rumstemperatur i minst 24 timmar. En behållare får användas för att säkerställa att damm inte lägger sig på fantomen medan du botar. För att utföra demolding, lös ABS genom att dränka fantomen i aceton.Sonikera i minst 15 minuter med hjälp av krafter upp till 70 watt. Skölj grundligt fantomen med isopropylalkohol och avjoniserat sedan vatten för att avlägsna lösningsmedelsrester. Med hjälp av ett optiskt mikroskop med en bifogad kamera i bildupptagningsprogram, fånga en bild av en kritisk funktion inom fantomen under en förstoring som maximerar funktionen inom synfältet.Fånga en bild av ett lämpligt kalibreringsretikmedel med samma förstoring. Ladda båda bilderna i ImageJ genom att dra dem till verktygsfältet. Klicka på kalibreringsretikiclebilden för att göra den aktiv och välj sedan linjeverktyget.Använd musen, rita en linje längs en funktion av ett känt avstånd och välj analysera. Ställ in skala från ImageJ-menyn. Ange funktionens längd i fältet med etiketten känt avstånd och dess enhet i fältet märkt enhet av längd.Markera rutan med etiketten global för att tillämpa denna kalibreringsfaktor på alla öppna bilder. Gör bilden av den fantomkritiska funktionen aktiv och använd linjeverktyget för att rita en linje längs en funktion av intresse. Från ImageJ menyn väljer analysera, mäta för att mäta längden på linjen.Jämför det förväntade värdet mot värdet i kolumnen som markerats längd i resultatfönstret för att bekräfta fantomtrohet. För att göra håna blod lösningen mix avjoniserat vatten och glycerol i en 60 till 40 förhållande av volym. Tillsätt en milliliter av 2,5%fluorescerande polystyrenpärplösning till mock blood-lösningen och homogenisera sedan blandningen på en magnetisk rörplatta vid 400 rpm i 10 minuter.Utför cirkulationssystemets in vitro-installation enligt beskrivningen i textprotokollet. Bestäm kalibreringsförhållandet för videoavbildningen som tidigare. Ett akrylark får placeras över mikroskopstadiet innan PDMS-fantomen placeras för att skydda mikroskopet från oavsiktliga spill.För att ställa in apparaten placerar du PDMS-fantomen på scenen i fluorescensmikroskopet. Anslut fantomen till kugghjulspumpen och introducera lösningen för hånblod. Ställ in pumpmotorns styrenhet för önskat flöde baserat på pumpkalibreringskurvan.Kör pumpen i en till fem minuter före experimentet för att säkerställa förhållanden i steady state. Om pärla fastnar observeras efter ett experiment, sonikera fantomen i en vattenhaltiga rengöringsmedel lösning med hjälp av befogenheter upp till 70 watt. Renlighet av modellen är också avgörande för vektor fält trohet som pärlor fastnat på ytan av fantomen kommer att resultera i förhör fönster med noll förskjutning.Om du vill utföra bildbehandling drar du spara AVI-filen till ImageJ-fönstret för att importera den. Markera rutan markerad konvertera till grå skala. Från ImageJ menyn välj analysera, generera histogram för att generera ett histogram av bild pixel intensiteter.Ta del av medelvärdet och standardavvikelsen för den obearbetade bilden. På ImageJ-menyn markera bilden, justera ljusstyrka och kontrast för att tillämpa en ljusstyrka kontrast filter. Klicka på knappen för inställda på menyn för ljusstyrka och kontrast för att definiera bildgränserna.Ange att minimivärdet ska vara medelvärdet plus en standardavvikelse och det högsta värdet som ska vara bildens maximala intensitet. Från ImageJ menyn välj process, brus, despeckle att minska antalet mättade pixlar. Välj sedan process, filter, gaussisk oskärpa med en radie på 1,5.Detta kommer att minska artefakter som härrör från enstaka avlägsnande av upplysta pixlar i en 3x3 grannskap av den tidigare avspeckling operation. Klicka på polygonverktyget och klicka sedan på bilden för att beskriva intresseområdet. Från ImageJ menyn väljer redigera, rensa utanför för att ta bort sensorbrus på platser där ingen signal förväntas vilket kan minska den totala signalen till bruset förhållande.Fortsätt till dataanalys som beskrivs i textprotokollet. Visas här är den färdiga fantom markeras med dimensioner samt partikeln bilden velocimetry eller PIV region av intresse. Denna figur visar bild intensitet kontur tomter och ytområden som härrör från fluorescerande pärlor i perforator artär under videoinspelning.Detta visar förbättringen av förhållandet signal till brus efter intensitet tak utförs. Visas här är de resulterande vektorfält som erhållits på rå video, efter intensitet tak och sedan igen efter intensiteten utjämnade vektorfältet valideras med hjälp av normaliserade mediantest. Som efterbehandling och vektorvalidering tekniker är anställda vektorn fältet blir mer enhetlig och mer liknar den förväntade profilen för flöde i en cirkulär kanal.Medan du försöker detta förfarande är det viktigt att fokusera på att minimera bullret i den förvärvade signalen själv. Medan detta protokoll beskriver programvarubaserade tekniker för att mildra dessa avvikelser, bör försiktighet tas vid varje steg för att minska deras förekomst. Glöm inte att arbeta med aceton kan vara extremt farligt och du bör alltid bära personlig skyddsutrustning samt arbeta under en draghuva bort från eventuella tändkällor medan du utför denna procedur.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Meso-Scale Particle Image Velocimetry Studies of Neurovascular Flows In Vitro

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus SCUVA

Kvantitativt mäta In situ Flöden med hjälp av en fristående Underwater Velocimetry apparater (SCUVA)

The ability to directly measure velocity fields in a fluid environment is necessary to provide empirical data for studies in fields as diverse as ...

Visualizing Proteins and Macromolecular Complexes by Negative Stain EM: from Grid Preparation to Image Acquisition

Visualisera proteiner och Makromolekylär av negativa Stain EM: från Grid förberedelse till Image Acquisition

Single particle electron microscopy (EM), of both negative stained or frozen hydrated biological samples, has become a versatile tool in structural ...

Micro-particle Image Velocimetry for Velocity Profile Measurements of Micro Blood Flows

Micro-partikel Image Velocimetry för Mätningar hastighetsprofil av Micro blodflöden

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows. The images are cross-correlated to ...

A Novel Three-dimensional Flow Chamber Device to Study Chemokine-directed Extravasation of Cells Circulating under Physiological Flow Conditions

A Novel Tredimensionell strömningskammare Device att studera Chemokine-riktad Extravasering av celler som cirkulerar under fysiologiska flödesförhållanden

Extravasation of circulating cells from the bloodstream plays a central role in many physiological and pathophysiological processes, including stem cell ...

Longitudinal Measurement of Extracellular Matrix Rigidity in 3D Tumor Models Using Particle-tracking Microrheology

Längsgående Mätning av extracellulär matrix Stelhet i 3D tumörmodeller Använda Partikel-tracking Microrheology

The mechanical microenvironment has been shown to act as a crucial regulator of tumor growth behavior and signaling, which is itself remodeled and ...

Eye Irritation Test (EIT) for Hazard Identification of Eye Irritating Chemicals using Reconstructed Human Cornea-like Epithelial (RhCE) Tissue Model

Eye Irritation Test EIT for Hazard Identification of Eye Irritating Chemicals using Reconstructed Human Cornea-like Epithelial RhCE Tissue Model

Ögonirritationstest (EIT) för Hazard Identifiering av Eye irriterande kemikalier med hjälp av rekonstruerad Human Cornea liknande Epithelial (RHCE) Tissue Modell

To comply with the Seventh Amendment to the EU Cosmetics Directive and EU REACH legislation, validated non-animal alternative methods for reliable and ...

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

In situ Kartläggning av de mekaniska egenskaperna hos Biofilmer av Partikel-tracking Microrheology

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances ...

Electrotaxis Studies of Lung Cancer Cells using a Multichannel Dual-electric-field Microfluidic Chip

Electrotaxis Studier av lungcancerceller med användning av en Multichannel dubbla elektriskt fält mikroflödes Chip

The behavior of directional cell migration under a direct current electric-field (dcEF) is referred to as electrotaxis. The significant role of ...

An In Vitro Organ Culture Model of the Murine Intervertebral Disc

An In Vitro Organ Culture Model of the Murine Intervertebral Disc

En<em&gt; In Vitro</em&gt; Organ Kultur Modell av murina mellankotskivan

Intervertebral disc (IVD) degeneration is a significant contributor to low back pain. The IVD is a fibrocartilaginous joint that serves to transmit and ...

Comparable Decellularization of Fetal and Adult Cardiac Tissue Explants as 3D-like Platforms for In Vitro Studies

Jämförbara Decellularization av Fetal och vuxen hjärtvävnad bladsticklingar som 3D-liknande plattformar för i studier

Current knowledge of extracellular matrix (ECM)-cell communication translates to large two-dimensional (2D) in vitro culture studies where ECM components ...