Name: evaluating regional pulmonary deposition using patient-specific 3d printed lung models
Uploaded: 2020-11-11T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models at JoVE.com

המחברים מודים לפרופסור יו פנג, ד"ר ג'נה ברידל, איאן וודוורד ולוקאס אטיה על הדיונים המועילים ביניהם.

1. הכנת רכיבים ניסיוניים מודפסים בתלת מימד
הערה: כל התוכנות המשמשות בפרוטוקול מסומנות בטבלת החומרים. בנוסף, תוכנת ההחתכה המנוצלת היא ספציפית למדפסת תלת-ממד הרשומה בטבלת החומרים; עם זאת, ניתן להרחיב פרוטוקול זה למגוון רחב של מדפסות תלת-ממד סטריאוליטוגרפיות (...

<ol>
	<li>Goel, A., Baboota, S., Sahni, J. K., Ali, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+targeted+pulmonary+delivery+for+treatment+of+lung+cancer.">Exploring targeted pulmonary delivery for treatment of lung cancer.</a> International Journal of Pharmaceutical Investigation. 3 (1), 8-14 (2013).</li><li>Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C. <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+methodology+for+targeting+drug-aerosols+in+the+human+respiratory+system.">A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 51 (23), 5578-5589 (2008).</li><li>Feng, Y., Chen, X., Yang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+In+Silico+Investigation+of+a+Lobe-Specific+Targeted+Pulmonary+Drug+Delivery+Method.">An In Silico Investigation of a Lobe-Specific Targeted Pulmonary Drug Delivery Method.</a> Design of Medical Devices Conference. , (2018).</li><li>Marple, V. A., 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=Next+generation+pharmaceutical+impactor+(a+new+impactor+for+pharmaceutical+inhaler+testing).+Part+I:+Design.">Next generation pharmaceutical impactor (a new impactor for pharmaceutical inhaler testing). Part I: Design.</a> Journal of Aerosol Medicine. 16 (3), 283-299 (2003).</li><li>Feng, Y., Zhao, J., Chen, X., Lin, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+In+Silico+Subject-Variability+Study+of+Upper+Airway+Morphological+Influence+on+the+Airflow+Regime+in+a+Tracheobronchial+Tree.">An In Silico Subject-Variability Study of Upper Airway Morphological Influence on the Airflow Regime in a Tracheobronchial Tree.</a> Bioengineering. 4 (4), 90 (2017).</li><li>Huynh, B. K., 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=The+Development+and+Validation+of+an+In+Vitro+Airway+Model+to+Assess+Realistic+Airway+Deposition+and+Drug+Permeation+Behavior+of+Orally+Inhaled+Products+Across+Synthetic+Membranes.">The Development and Validation of an In Vitro Airway Model to Assess Realistic Airway Deposition and Drug Permeation Behavior of Orally Inhaled Products Across Synthetic Membranes.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 103-108 (2018).</li><li>Lizal, F., Elcner, J., Hopke, P. K., Jedelsky, J., Jicha, M. <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+realistic+human+airway+model.">Development of a realistic human airway model.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 226 (3), 197-207 (2011).</li><li>Wei, X., Hindle, M., Delvadia, R. R., Byron, P. R. <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+Tests+for+Aerosol+Deposition.+V:+Using+Realistic+Testing+to+Estimate+Variations+in+Aerosol+Properties+at+the+Trachea.">In Vitro Tests for Aerosol Deposition. V: Using Realistic Testing to Estimate Variations in Aerosol Properties at the Trachea.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 30 (5), 339-348 (2017).</li><li>Kolewe, E. L., Feng, Y., Fromen, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realizing+Lobe-Specific+Aerosol+Targeting+in+a+3D-Printed+In+Vitro+Lung+Model.">Realizing Lobe-Specific Aerosol Targeting in a 3D-Printed In Vitro Lung Model.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. , (2020).</li><li>Sul, B., 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=Assessing+Airflow+Sensitivity+to+Healthy+and+Diseased+Lung+Conditions+in+a+Computational+Fluid+Dynamics+Model+Validated+In+Vitro.">Assessing Airflow Sensitivity to Healthy and Diseased Lung Conditions in a Computational Fluid Dynamics Model Validated In Vitro.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), (2018).</li><li>Martonen, T. B., Katz, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deposition+Patterns+of+Polydisperse+Aerosols+Within+Human+Lungs.">Deposition Patterns of Polydisperse Aerosols Within Human Lungs.</a> Journal of Aerosol Medicine. 6 (4), 251-274 (1993).</li><li>Nahar, K., 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,+in+vivo+and+ex+vivo+models+for+studying+particle+deposition+and+drug+absorption+of+inhaled+pharmaceuticals.">In vitro, in vivo and ex vivo models for studying particle deposition and drug absorption of inhaled pharmaceuticals.</a> European Journal of Pharmaceutical Sciences. 49 (5), 805-818 (2013).</li><li>Nichols, S. C., 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+Multi-laboratory+in+Vitro+Study+to+Compare+Data+from+Abbreviated+and+Pharmacopeial+Impactor+Measurements+for+Orally+Inhaled+Products:+a+Report+of+the+European+Aerosol+Group+(EPAG).">A Multi-laboratory in Vitro Study to Compare Data from Abbreviated and Pharmacopeial Impactor Measurements for Orally Inhaled Products: a Report of the European Aerosol Group (EPAG).</a> AAPS PharmSciTech. 17 (6), 1383-1392 (2016).</li><li>Yoshida, H., Kuwana, A., Shibata, H., Izutsu, K. I., Goda, Y. <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+Aerodynamic+Particle+Size+Distribution+Between+a+Next+Generation+Impactor+and+a+Cascade+Impactor+at+a+Range+of+Flow+Rates.">Comparison of Aerodynamic Particle Size Distribution Between a Next Generation Impactor and a Cascade Impactor at a Range of Flow Rates.</a> AAPS PharmSciTech. 18 (3), 646-653 (2017).</li><li>Feng, Y., 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=An+in+silico+inter-subject+variability+study+of+extra-thoracic+morphology+effects+on+inhaled+particle+transport+and+deposition.">An in silico inter-subject variability study of extra-thoracic morphology effects on inhaled particle transport and deposition.</a> Journal of Aerosol Science. 123, 185-207 (2018).</li><li>Kleinstreuer, C., Seelecke, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhaler+system+for+targeted+maximum+drug-aerosol+delivery.">Inhaler system for targeted maximum drug-aerosol delivery.</a> United States patent. , (2005).</li><li>. How Medical 3D Printing is Gaining Ground in Top Hospitals Available from: <a target="_blank" href="https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals">https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals</a> (2019)</li><li>Weber, P. W., Price, O. T., McClellan, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Demographic+Variability+of+Inhalation+Mechanics:+A+Review.">Demographic Variability of Inhalation Mechanics: A Review.</a> Defense Threat Reduction Agency. , (2016).</li><li>Jiang, Y. Y., Xu, X., Su, H. L., Liu, D. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gender-related+difference+in+the+upper+airway+dimensions+and+hyoid+bone+position+in+Chinese+Han+children+and+adolescents+aged+6-18+years+using+cone+beam+computed+tomography.">Gender-related difference in the upper airway dimensions and hyoid bone position in Chinese Han children and adolescents aged 6-18 years using cone beam computed tomography.</a> Acta Odontologica Scandinavica. 73 (5), 391-400 (2015).</li><li>Martin, S. E., Mathur, R., Marshall, I., Douglas, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+age,+sex,+obesity+and+posture+on+upper+airway+size.">The effect of age, sex, obesity and posture on upper airway size.</a> European Respiratory Journal. 10 (9), 2087 (1997).</li><li>Xi, J., Longest, P. W., Martonen, T. B. <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+the+laryngeal+jet+on+nano-+and+microparticle+transport+and+deposition+in+an+approximate+model+of+the+upper+tracheobronchial+airways.">Effects of the laryngeal jet on nano- and microparticle transport and deposition in an approximate model of the upper tracheobronchial airways.</a> Journal of Applied Physiology. 104 (6), 1761-1777 (2008).</li><li>Zhao, J., Feng, Y., Fromen, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glottis+motion+effects+on+the+particle+transport+and+deposition+in+a+subject-specific+mouth-to-trachea+model:+A+CFPD+study.">Glottis motion effects on the particle transport and deposition in a subject-specific mouth-to-trachea model: A CFPD study.</a> Computers in Biology and Medicine. 116, 103532 (2020).</li><li>Kim, S. S., 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=Chronic+obstructive+pulmonary+disease:+lobe-based+visual+assessment+of+volumetric+CT+by+Using+standard+images--comparison+with+quantitative+CT+and+pulmonary+function+test+in+the+COPDGene+study.">Chronic obstructive pulmonary disease: lobe-based visual assessment of volumetric CT by Using standard images--comparison with quantitative CT and pulmonary function test in the COPDGene study.</a> Radiology. 266 (2), 626-635 (2013).</li><li>. The Cancer Imaging Archive Available from: <a target="_blank" href="https://www.cancerimagingarchive.net/">https://www.cancerimagingarchive.net/</a> (2020)</li><li>Li, A., Ahmadi, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+Simulation+of+Deposition+of+Aerosols+in+a+Turbulent+Channel+Flow+with+Rough+Walls.">Computer Simulation of Deposition of Aerosols in a Turbulent Channel Flow with Rough Walls.</a> Aerosol Science and Technology. 18 (1), 11-24 (1993).</li><li>Khalili, S. F., Ghanbarzadeh, S., Nokhodchi, A., Hamishehkar, 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+effect+of+different+coating+materials+on+the+prevention+of+powder+bounce+in+the+next+generation+impactor.">The effect of different coating materials on the prevention of powder bounce in the next generation impactor.</a> Research in Pharmaceutical Sciences. 13 (3), 283-287 (2018).</li><li>Galliger, Z., Vogt, C. D., Panoskaltsis-Mortari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+bioprinting+for+lungs+and+hollow+organs.">3D bioprinting for lungs and hollow organs.</a> Translational Research. 211, 19-34 (2019).</li><li>Schwarz, K., Biller, H., Windt, H., Koch, W., Hohlfeld, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+exhaled+particles+from+the+healthy+human+lung--a+systematic+analysis+in+relation+to+pulmonary+function+variables.">Characterization of exhaled particles from the healthy human lung--a systematic analysis in relation to pulmonary function variables.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 23 (6), 371-379 (2010).</li><li>Patton, J. S., Byron, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhaling+medicines:+delivering+drugs+to+the+body+through+the+lungs.">Inhaling medicines: delivering drugs to the body through the lungs.</a> Nature Reviews Drug Discovery. 6 (1), 67-74 (2007).</li><li>Zhang, Z., Kleinstreuer, C., Kim, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cyclic+micron-size+particle+inhalation+and+deposition+in+a+triple+bifurcation+lung+airway+model.">Cyclic micron-size particle inhalation and deposition in a triple bifurcation lung airway model.</a> Journal of Aerosol Science. 33 (2), 257-281 (2002).</li><li>Ju, Y., 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=Engineering+of+Nebulized+Metal-Phenolic+Capsules+for+Controlled+Pulmonary+Deposition.">Engineering of Nebulized Metal-Phenolic Capsules for Controlled Pulmonary Deposition.</a> Advanced Science. 7 (6), 1902650 (2020).</li></ol>

המכשיר הנוכחי המדינה-of-the-art עבור בדיקות תרופות ריאתי של מינון שאיפה מלאה הוא המשפיע גנרטור הבא (NGI), אשר מודד את הקוטר האווירודינמי שלתרסיס 4. נתוני גודל זה משמשים לאחר מכן כדי לחזות את ייצור הריאות שבו התרסיס יפקיד בהתבסס על מתאם שפותח עבור זכר בוגר בריא11. למרבה הצע...

מחלות ריאות רבות כגון סרטן ריאות ומחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD) להפגין הבדלים אזוריים במאפייני המחלה; עם זאת, יש חוסר טכניקות טיפוליות זמין למקד משלוח סמים רק לאזורים חולים של הריאה1. מודלים רבים של דינמי נוזלים חישוביים (CFD) הוכיחו כי ניתן לווסת פרופילי תצהיר סמים על ידי זיהוי התייעלות ספציפית בריאה2,3. פיתוח משאפים ומתאמי צינור אנדוטראצ'י (ET) עם יכולות מיקוד אזוריות מתבצע במעבדה שלנו כדי לשלוט בחלוקת תרסיסים לאזורי ריאות חולים. הרחבת עקרונות אלה לשימוש קליני מוגבלת על ידי יכולת הבדיקה הפרה-קלינית הנוכחית. המיקום המדויק של מרבצי סמים בתוך הריאה ידוע כמנבא היעילות הטוב ביותר; עם זאת, הערכות התרופות הנוכחיות של טיפולי שאיפה צפויות לרוב באמצעות מתאמי ויוו במבחנה בגודל חלקיקים לתצהיר משוערבלבד 4. טכניקה זו אינה מאפשרת כל ניתוח מרחבי כדי לקבוע את ההשפעות של גיאומטריות דרכי הנשימה השונות על התפלגות אזורית באמצעות האונות השונות של הריאה. בנוסף, בדיקה זו חסרה גיאומטריות ריאות מדויקות אנטומית, אשר חוקרים הראו יכולה להיות השפעה משמעותית על פרופילי תצהיר5. נעשו כמה מאמצים לשלב גיאומטריות ריאה ספציפיות למטופל בפרוטוקולי בדיקה באמצעות תוספת של דרכי הנשימה העליונות; עם זאת, רוב הגישות הללו מדגמות משלוח אירוסול לדורות שונים של הריאה ולא לכל אונה ריאה6,7,8. הפרוטוקול הבא מציג שיטת תפוקה גבוהה של יצירת מודלים ריאות ספציפיים למטופל עם היכולת לכמת תצהיר חלקיקים יחסי בכל אחת מחמש האונות של הריאה9.
ריאות מודל מדויק אנטומית נוצרות על ידי סריקות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) של חולה הדפסה תלת מימדית. כאשר משתמשים בו בשילוב עם מערכת זרימה המורכבת בקלות, ניתן לשלוט באופן עצמאי בקצב הזרימה היחסי דרך כל אחת מהאונה של הריאה המודלית ולהתאים אותה לחיקוי אלה של דמוגרפיה של חולים שונים ו/או מצבי מחלה שונים. בשיטה זו, החוקרים יכולים לבדוק את היעילות של שיטות טיפוליות פוטנציאליות בגיאומטריית ריאות רלוונטית ולתאם את הביצועים של כל שיטה עם התקדמות המורפולוגיה החולה. כאן, שני עיצובים מכשיר שפותחו במעבדה שלנו נבדקים על יכולתם להגדיל את התצהיר באונה הריאה הרצויה על ידי שליטה על המיקום של שחרור תרסיס בפה או קנה הנשימה. פרוטוקול זה יש גם פוטנציאל להשפיע באופן משמעותי על התפתחות הליכים מותאמים אישית עבור חולים על ידי הקלת חיזוי מהיר של יעילות הטיפול בריאה מודל ספציפי לנתוני סריקת CT של המטופל.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1/4&#34; Plastic Barbed Tube Fitting</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>5372K111</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 um Filter Paper</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>1093-110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1um Fluorescent Polystyrene Particles</td>
			<td>Polysciences</td>
			<td>15702-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1um Non-Fluorescent Polystyrene Particles</td>
			<td>Polysciences</td>
			<td>8226</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Propanol</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>A516-4</td>
			<td>Referred to in protocol as &#34;IPA&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3/8&#34; Plastic Barbed Tube Fitting</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>5372K117</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Air Flow Meter (1 - 280 mL/min)</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>41695K32</td>
			<td>Referred to in protocol as &#34;flow meter&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon M1 3D Printer</td>
			<td>Carbon 3D</td>
			<td></td>
			<td>https://www.carbon3d.com/, Associated software referred to in protocol as &#34;slicing software&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collison Jet Nebulizer</td>
			<td>CH Technologies</td>
			<td>ARGCNB0008 (CN-25)</td>
			<td>6 Jet MRE style horizontal collision with glass jar, Referred to in protocol as &#34;nebulizer&#34;, http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Convection Oven</td>
			<td>Yamato</td>
			<td>DKN602</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copley Critical Flow Controller TPK2000 Reve 120V</td>
			<td>MSP Corp</td>
			<td>0001-01-9810</td>
			<td>Referred to in protocol as &#34;flow controller&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copley High Capacity Pump Model HCP5</td>
			<td>MSP Corp</td>
			<td>0001-01-9982</td>
			<td>Referred to in protocol as &#34;vacuum pump&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cytation</td>
			<td>BioTek</td>
			<td>CYT5MPV</td>
			<td>Multifunctional Spectrophotometer/Fluorescent imager equiped with 4x/20x/40x objectives and DAPI/GFP/TexasRed laser/filter cubes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EPU40 Resin</td>
			<td>Carbon 3D</td>
			<td></td>
			<td>https://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, Referred to in protocol as &#34;soft resin&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter for vacuum pump</td>
			<td>Whatman</td>
			<td>6722-5000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow Meter Model DFM 2000</td>
			<td>MSP Corp</td>
			<td>0001-01-8764</td>
			<td>Referred to in protocol as &#34;electronic flow meter&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ Software</td>
			<td>ImageJ</td>
			<td></td>
			<td>https://imagej.nih.gov/ij/download.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inline Air Flow Control Valve (Push-to-Connect)</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>62005K333</td>
			<td>Referred to in protocol as &#34;valve&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inline Filter Devices</td>
			<td>Whatman</td>
			<td>WHA67225000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Marine-Grade Plywood Sheet</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>62005K333</td>
			<td>Referred to in protocol as &#34;wooden board&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Materialise Mimics Software</td>
			<td>Materialise</td>
			<td></td>
			<td>https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, Referred to in protocol as &#34;CT scan software&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meshmixer Software</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td></td>
			<td>http://www.meshmixer.com/, Referred to in protocol as &#34;mesh editing software&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>A454-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Opticure LED Cube</td>
			<td>APM Technica</td>
			<td>102843</td>
			<td>Referred to in protocol as &#34;UV oven&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PR25 Resin</td>
			<td>Carbon 3D</td>
			<td></td>
			<td>https://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, /Referred to in protocol as &#34;hard resin&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PVC Tube for Chemicals</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>5231K161</td>
			<td>1/4&#34; ID</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screws</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SolidWorks Software</td>
			<td>Dassault Syst&#232;mes&#160;SolidWorks Corporation</td>
			<td></td>
			<td>https://www.solidworks.com/, Referred to in protocol as &#34;3D modeling software&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Straight Flow Rectangular Manifold</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>1125T31</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing to Flow Controller</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>5233K65</td>
			<td>3/8&#34; ID</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wire</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

evaluating regional pulmonary deposition using patient-specific 3d printed lung models

פיתוח טיפולים ממוקדים למחלות ריאות מוגבל על ידי הזמינות של שיטות בדיקה פרה-קוליניות עם היכולת לחזות משלוח אירוסול אזורי. מינוף הדפסה תלת-ממדית כדי ליצור מודלים ספציפיים לריאות המטופל, אנו מתארים את העיצוב של תפוקה גבוהה, התקנה ניסיונית במבחנה לכימות תצהיר ריאות לובלי. מערכת זו נעשית עם שילוב של רכיבים מסחריים זמינים ותל"ד מודפסים ומאפשרת את קצב הזרימה דרך כל האונה של הריאה להיות נשלט באופן עצמאי. מסירת אירוסולים פלואורסצנטיים לכל אונה נמדדת באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. לפרוטוקול זה יש פוטנציאל לקדם את הצמיחה של רפואה מותאמת אישית למחלות בדרכי הנשימה באמצעות יכולתו לדגמן מגוון רחב של דמוגרפיה של חולים ומדינות מחלה. ניתן לווסת בקלות הן את הגיאומטריה של מודל הריאות המודפסות בתלת-ממד והן את הגדרת פרופיל זרימת האוויר כדי לשקף נתונים קליניים עבור חולים עם גיל, גזע ומין משתנים. מכשירי אספקת תרופות רלוונטיים קלינית, כגון הצינור endotracheal המוצג כאן, ניתן לשלב לתוך מערך הבדיקה כדי לחזות בצורה מדויקת יותר את היכולת של המכשיר למקד משלוח טיפולי לאזור חולה של הריאה. הרבגוניות של התקנה ניסיונית זו מאפשרת לו להיות מותאם אישית כדי לשקף שפע של תנאי שאיפה, שיפור הקשיחות של בדיקות טיפוליות פרה-קוליניות.

חלקיקים בטווח גודל זה (1-5 מיקרומטר) ותנאי זרימה (1-10 L /min) עוקבים אחר קווי זרם הנוזלים המבוססים הן על מספר סטוקס התיאורטי שלהם והן על נתוני vivo; לכן, בהיעדר מכשיר משלוח ממוקד, חלקיקים המשתחררים למודל הריאות צפויים להפקיד בהתאם לאחוז זרימת האוויר הכוללת המופנית לכל אונה. לאחר מכן ניתן להשוות את ?...

Watch this Scientific Journal Video about Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models at JoVE.com

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

אנו מציגים תפוקה גבוהה, בשיטת במבחנה לכימות תצהיר ריאתי אזורי ברמת האונה באמצעות CT סריקה נגזר, מודלים של ריאות מודפסות 3D עם פרופילי זרימת אוויר מתכווננת.

הערכת תצהיר ריאתי אזורי באמצעות דגמי ריאות מודפסים תלת-ממדיים ספציפיים למטופל

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

This protocol has the potential to drive the development of new targeted pulmonary therapeutics by enabling the pre-clinical predictions of regional deposition. This technique incorporates anatomically accurate lung models, 3D printed from patient's CT scans for the rapid generation of personalized predictive results regarding the efficacy of potential treatments. This technique can be used to develop targeted therapies that minimize off target effects for diseases that are characterized by regional area obstructions such as lung cancer or COPD.After printing the experimental components and completing post-processing as per the manufacturer's instructions, carefully wash the parts printed in soft resin with at least 99%purity isopropyl alcohol to remove any excess uncured resin before thermal curing the parts in a convection oven for eight hours according to the manufacturer's specifications. Then, wash the parts printed in hard resin with the alcohol to remove any excess uncured resin and cure the parts in a UV oven for one minute per side. For lobe outlet cap assembly, insert one end of the oval barbed tubing connection base into the cap before carefully stretching the flexible cap over the other end of the oval base, taking special care not to crack the thin base and with the nozzle protruding through the opening in the cap base.Next, cut 10 microliter filter paper to a size slightly larger than the outlet area and fold the filter paper over the lobe outlet, holding the paper in place with one hand. Then use tweezers in the other hand, to stretch the cap with the barbed tubing connection over the outlet and press the cap down until the notch matches the corresponding notch on the lobe outlet. Before each experimental run, connect each lung model lobe outlet to the tubing of the corresponding flow meter and valve taking care not to apply too much lateral pressure to the barbed tubing connection.Attach the electronic flow meter to the lung model mouth inlet to measure the total airflow rate to the lung model and turn on the flow controller and vacuum pump. In the flow controller, select the test setup setting and slowly increase the flow rate until the electronic flow meter displays the desired total flow rate. Use the valves to adjust the flow rate through the right upper, right middle, right lower, left upper and left lower lung lobes.Once the load flow rates shown on the flow meters are steady at the desired value, check the overall flow rate again on the electronic flow meter to verify that there are no leaks in the system. Then, exit the test setup in the flow controller leaving the vacuum pump on. For aerosol delivery to the lung model, fill a nebulizer with a solution of the desired fluorescent particles and connect the nebulizer to the lung model inlet.To measure the efficacy of the targeting device, insert the device into the lung model and connect the nebulizer to the device. Connect the compressed airline to the nebulizer. Set the flow controller to run for one ten second trial and open the compressed air valve slightly to begin generating an aerosol within the nebulizer.Press start on the flow controller and immediately open the compressed air valve fully. When the flow controller reaches about nine seconds, begin closing the compressed air valve and close the fume hood sash as much as possible. Once the valve is fully closed, disconnect the nebulizer from the compressed airline.Fully close the fume hood sash, shut off the vacuum pump and let any aerosols clear from the fume hood. After about 10 minutes, disconnect the lung model from the tubing system, taking care not to crack the barbed tubing connections and run a pair of tweezers under the edge of each lobe outlet cap to remove the caps from the outlets. Then transfer the filter paper from each cap into individual wells of a 24-well plate particle depositions side down.When all of the filter paper has been collected, place the plate onto the stage of a digital fluorescence microscope and set the microscope to a 4X magnification and the appropriate fluorescence channel. Then take at least three images of the filter paper from each lobe at random locations and save the images as TIF files. Under one liter per minute collection conditions in a healthy lung, ended along effected by COPD, the experimentally determined deposition profile is not statistically different from the clinical data demonstrating that the setup accurately mimics the distribution of air flow to each of the lung lobes.Compared to the non-targeted particle deposition profile, the use of a modified endotracheal tube generates a nearly four fold increase in left lower lobe delivery. In addition to diverting over 96%of the delivered particles to the left lung. Altering the release location setting to target the right lower lobe, this device generates more than double the particle delivery to the right lobe and diverts 94%of the delivered particles to the right lung.Compared to the non-targeted particle deposition profile, the concentric cylinder device causes a nearly three fold increase in left upper lobe delivery in addition to diverting over 87%of the delivered particles to the left lung. Targeting efficiency can also be observed qualitatively by comparing the images of the target lobe filter to the other outlet filters. As illustrated, the most effective targeting method will yield a high particle deposition at the intended lobe of interest and a low deposition at the remaining lobe outlets.It is essential to make sure that components are properly connected to prevent leaks within the system as leaks will impact deposition results. This protocol permits researchers to test potential drug delivery devices for targeting specific regions of the lung prior to clinical trials reducing the cost associated with drug development and efficacy enhancement in human patients.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations

דוגמנות מטופל ספציפי של לב: אומדן של אורינטציות סיבי חדרית

Patient-specific  simulations of heart (dys)function aimed at personalizing cardiac therapy are hampered  by the absence of in vivo imaging technology for ...

Rapid and Low-cost Prototyping of Medical Devices Using 3D Printed Molds for Liquid Injection Molding

דיגום מהיר ועלות נמוכה של מכשירים רפואיים באמצעות 3D מודפס תבניות להזרקת נוזלים

Biologically inert elastomers such as silicone are favorable materials for medical device fabrication, but forming and curing these elastomers using ...

Improving 2D and 3D Skin In Vitro Models Using Macromolecular Crowding

Improving 2D and 3D Skin In Vitro Models Using Macromolecular Crowding

עור 2D and 3D שיפור<em&gt; במבחנה</em&gt; מודלים שימוש להצטופפות מולקולארית

The glycoprotein family of collagens represents the main structural proteins in the human body, and are key components of biomaterials used in modern ...

Scaling of Engineered Vascular Grafts Using 3D Printed Guides and the Ring Stacking Method

Scaling של שתלי כלי דם שהונדס בשיטות מדריכי 3D מודפס ואת שיטת נחת הטבעת

Coronary artery disease remains a leading cause of death, affecting millions of Americans. With the lack of autologous vascular grafts available, ...

Fabrication of Custom Agarose Wells for Cell Seeding and Tissue Ring Self-assembly Using 3D-Printed Molds

ייצור של בארות Agarose מותאם אישית עבור תא זריעה וטבעת רקמות הרכבה עצמית תוך שימוש בתבניות מודפס 3D

Engineered tissues are being used clinically for tissue repair and replacement, and are being developed as tools for drug screening and human disease ...

Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models

פילוח סיבים עצביים ספינלי לטיפול גירוי מוחי עמוק באמצעות דגמים אינטראקטיביים, מטופל ספציפי

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for ...

High-resolution Patterned Biofilm Deposition Using pDawn-Ag43

ברזולוציה גבוהה בדוגמת באמצעות התצהיר Biofilm pDawn-Ag43

Spatial structure and patterning play an important role in bacterial biofilms. Here we demonstrate an accessible method for culturing E. coli biofilms ...

3D Printed Porous Cellulose Nanocomposite Hydrogel Scaffolds

3D מודפס נקבובי תאית Nanocomposite הידרוג פיגומים

This work demonstrates the use of three-dimensional (3D) printing to produce porous cubic scaffolds using cellulose nanocomposite hydrogel ink, with ...

3D Cell-Printed Hypoxic Cancer-on-a-Chip for Recapitulating Pathologic Progression of Solid Cancer

3D תא מודפס סרטן היפוקסי על שבב עבור recapitulating התקדמות פתולוגית של סרטן מוצק

Cancer microenvironment has a significant impact on the progression of the disease. In particular, hypoxia is the key driver of cancer survival, invasion, ...

Creation of Patient-Specific Silicone Cardiac Models with Applications in Pre-surgical Plans and Hands-on Training

יצירת מודלים לב סיליקון ספציפיים למטופל עם יישומים בתוכניות טרום ניתוחיות והכשרה מעשית

Three dimensional&#160;models can be a valuable tool for surgeons as they develop surgical plans and medical fellows as they learn about complex cases. In ...