Kunstigt åndedrætssystem afslører alveolernes funktion i lungerne

Alveoler er de grundlæggende funktionelle enheder i det menneskelige åndedrætssystem, der fungerer som små luftsække, der udveksler gasser. Luft indåndet gennem mund og næse strømmer ind i lungerne gennem bronkiernes forgrenede struktur, og alveolerne vises i de dybe dele af dette netværk.

For fuldt ud at forstå og behandle luftvejssygdomme er det vigtigt at bestemme strømningsmønsteret for luft og partikler gennem alveolerne. I Biomicrofluidics , har forskere fra Harbin Institute of Technology i Kina skabt et alveolært model, der efterligner den menneskelige lunges vejrtrækning og tillader visualisering af strømningsmønstre i alveolerne.

Efterforskerne designede en chip, der inkluderer rør arrangeret som strukturen af ​​et bifurkationspunkt i bronkialnetværket. Det øverste lag af chippen er lavet af en fleksibel polymer, der er støbt til små rør, der efterligner den alveolære struktur. Det nederste lag er glas, som gør det muligt for forfatterne at visualisere væskestrømmen gennem rørene.

For at efterligne respiration udtænkte forskerne et system, hvor gas blev sat under tryk på en sinusformet måde og pumpet rundt i de fleksible rør. Dette skaber en åndelignende cyklus af indånding og udånding. For at studere strømningsmønstre i systemet tilføjede gruppen små røde polystyrenkugler til væsken, der strømmede gennem rørene. Disse kugler gjorde det muligt for dem at fotografere væskens bevægelse, når den blev skubbet gennem rørene af det kunstige åndedrætsapparat.

Efterfølgende forgreninger i bronchial-netværket er kendt som generationer, og holdet fandt forskellige strømningsmønstre for forskellige generationer. I den menneskelige lunge opstår alveolerne i 15. generation og forbliver til stede i generationer op til 23. Forskerne fandt en ændring i flowmønsteret mellem 19.-20. og 21.-22. generation.

"Den 19. generations alveolære strømningsmønster er domineret af vortex-flow," sagde forfatter Yonggang Zhu. "Alveolære flowmønstre i den 20. generation ligner dem i den 19., men noget komprimeret."

Efterforskerne observerede en ændring i den næste generation.

"Det alveolære strømningsmønster i 21. generation har både vortex-flow og radial flow. Vortex-området er meget mindre end radial flow-området. Når flowet når 22. generation, forsvinder vortex-flow fuldstændigt, og vi observerer kun radial flow. ," sagde Zhu.

Forfatterne fandt også tegn på kaotisk adfærd nær hvirvelcentret. De sagde, at der er behov for mere forskning for fuldt ud at forstå dette, men de mente, at den nuværende undersøgelse giver en god baseline for dybere undersøgelser.

Med modellen vil forskerne kunne studere ændringer i strømningsmønstre i alveolerne på grund af sygdomme som emfysem og KOL.

Artiklen "Microflows in two-generations alveolar cells at an acinar bifurcation" er forfattet af Yue Yang, Weitao Bai, Jun Dong, Huimin Lv og Yonggang Zhu. Artiklen vil blive vist i Biomicrofluidics den 6. september 2022. + Udforsk yderligere

Hydrodynamisk model af fiskeorientering i en kanalstrøm