Модель альвеолярной системы имитирует дыхательную деятельность легких человека

Альвеолы ​​являются основными функциональными единицами дыхательной системы человека, действующими как крошечные воздушные мешочки, которые обмениваются газами. Вдыхаемый через рот и нос воздух поступает в легкие по разветвленному строению бронхов, а в глубоких отделах этой сети появляются альвеолы.

Чтобы полностью понять и лечить респираторные заболевания, важно определить схему потока воздуха и твердых частиц через альвеолы. В Biomicrofluidics от AIP Publishing ученые из Харбинского технологического института в Китае создали модель альвеолярной системы, которая имитирует дыхательную деятельность легких человека и позволяет визуализировать схемы потоков в альвеолах.

Исследователи разработали чип, который включает в себя трубки, расположенные подобно структуре точки бифуркации в бронхиальной сети. Верхний слой чипа изготовлен из гибкого полимера, сформованного в виде небольших трубочек, имитирующих альвеолярную структуру. Нижний слой представляет собой стекло, что позволяет авторам визуализировать течение жидкости по трубкам.

Чтобы имитировать дыхание, ученые разработали систему, в которой газ подвергался синусоидальному давлению и прокачивался по гибким трубкам. Это создает подобный дыханию цикл вдоха и выдоха. Чтобы изучить модели потока в системе, группа добавила маленькие красные шарики из полистирола к жидкости, протекающей по трубам. Эти сферы позволили им сфотографировать движение жидкости, проталкиваемой по трубкам аппаратом искусственного дыхания.

Последующие ветви в бронхиальной сети известны как поколения, и команда обнаружила разные схемы течения для разных поколений. В легких человека альвеолы ​​появляются в 15-м поколении и остаются на протяжении поколений до 23-го. Исследователи обнаружили изменение картины кровотока между 19-м-20-м и 21-м-22-м поколениями.

В структуре альвеолярного течения 19-го поколения преобладает вихревой поток. Паттерны альвеолярного кровотока в 20-м поколении аналогичны таковым в 19-м, но несколько сжаты».

Юнган Чжу, автор

Исследователи наблюдали изменение в следующем поколении.

«Альвеолярная картина течения в 21-м поколении имеет как вихревое течение, так и радиальное течение. Вихревая область намного меньше, чем область радиального течения. К моменту, когда течение достигает 22-го поколения, вихревое течение полностью исчезает, и мы наблюдаем только радиальное течение. «, — сказал Чжу.

Авторы также обнаружили свидетельства хаотического поведения вблизи центра вихря. Они сказали, что необходимы дополнительные исследования, чтобы полностью понять это, но они считают, что текущее исследование обеспечивает хорошую основу для более глубоких исследований.

С помощью этой модели исследователи смогут изучать изменения в схемах кровотока в альвеолах из-за таких заболеваний, как эмфизема и ХОБЛ.