Diagramma schematico del chip alveolare (in alto a sinistra), fotografia del chip (in alto al centro), disegno CAD della struttura alveolare multigenerazionale (in alto a destra) e due tipici schemi di flusso nel chip alveolare (in basso). Credito:Yonggang Zhu
Gli alveoli sono le unità funzionali di base del sistema respiratorio umano, agendo come minuscole sacche d'aria che scambiano i gas. L'aria inalata attraverso la bocca e il naso fluisce nei polmoni attraverso la struttura ramificata dei bronchi e gli alveoli compaiono nelle sezioni profonde di questa rete.
Per comprendere e trattare appieno le malattie respiratorie, è importante determinare il modello di flusso di aria e particolato attraverso gli alveoli. In Biomicrofluidica , gli scienziati dell'Harbin Institute of Technology in Cina hanno creato un sistema alveolare modello che imita l'azione respiratoria del polmone umano e consente la visualizzazione dei modelli di flusso all'interno degli alveoli.
Gli investigatori hanno progettato un chip che include tubi disposti come la struttura di un punto di biforcazione nella rete bronchiale. Lo strato superiore del chip è costituito da un polimero flessibile modellato in piccoli tubi che imitano la struttura alveolare. Lo strato inferiore è di vetro, che consente agli autori di visualizzare il flusso del fluido attraverso i tubi.
Per simulare la respirazione, gli scienziati hanno ideato un sistema in cui il gas veniva pressurizzato in modo sinusoidale e pompato attorno ai tubi flessibili. Questo crea un ciclo di inspirazione ed espirazione simile al respiro. Per studiare i modelli di flusso nel sistema, il gruppo ha aggiunto piccole sfere di polistirene rosse al fluido che scorre attraverso i tubi. Queste sfere hanno permesso loro di fotografare il movimento del fluido mentre veniva spinto attraverso i tubi dal respiratore artificiale.
I rami successivi nella rete bronchiale sono noti come generazioni e il team ha trovato modelli di flusso diversi per generazioni diverse. Nel polmone umano, gli alveoli compaiono alla 15a generazione e rimangono presenti per generazioni fino a 23. I ricercatori hanno riscontrato un cambiamento nel modello di flusso tra la 19a-20a e la 21a-22a generazione.
"Il modello di flusso alveolare della 19a generazione è dominato dal flusso di vortici", ha detto l'autore Yonggang Zhu. "I modelli di flusso alveolare nella 20a generazione sono simili a quelli nella 19a, ma in qualche modo compressi."
Gli investigatori hanno osservato un cambiamento nella generazione successiva.
"Il modello di flusso alveolare nella 21a generazione ha sia flusso vorticoso che flusso radiale. La regione del vortice è molto più piccola della regione del flusso radiale. Quando il flusso raggiunge la 22a generazione, il flusso vorticoso scompare completamente e osserviamo solo il flusso radiale ", ha detto Zhu.
Gli autori hanno anche trovato prove di un comportamento caotico vicino al centro del vortice. Hanno affermato che sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere appieno questo aspetto, ma ritengono che lo studio attuale fornisca una buona base per indagini più approfondite.
Con il modello, i ricercatori saranno in grado di studiare i cambiamenti nei modelli di flusso negli alveoli dovuti a malattie come l'enfisema e la BPCO.
L'articolo "Microflows in two-generation alveolar cells at an acinor biforcation" è scritto da Yue Yang, Weitao Bai, Jun Dong, Huimin Lv e Yonggang Zhu. L'articolo apparirà in Biomicrofluidica il 6 settembre 2022. + Esplora ulteriormente
