Alveoli zijn de functionele basiseenheden van het menselijke ademhalingssysteem, die fungeren als kleine luchtzakjes die gassen uitwisselen. Lucht die door de mond en neus wordt ingeademd, stroomt in de longen door de vertakte structuur van de bronchiën en de longblaasjes verschijnen in de diepe delen van dit netwerk.

Om luchtwegaandoeningen volledig te begrijpen en te behandelen, is het belangrijk om het stroompatroon van lucht en deeltjes door de longblaasjes te bepalen. In Biomicrofluïdica , hebben wetenschappers van het Harbin Institute of Technology in China een alveolair modelsysteem ontwikkeld dat de ademhalingswerking van de menselijke long nabootst en visualisatie van stroompatronen in de longblaasjes mogelijk maakt.

De onderzoekers ontwierpen een chip met buizen die zijn gerangschikt als de structuur van een vertakkingspunt in het bronchiale netwerk. De bovenste laag van de chip is gemaakt van een flexibel polymeer dat is gegoten in kleine buisjes die de alveolaire structuur nabootsen. De onderste laag is van glas, waardoor de auteurs de vloeistofstroom door de buizen kunnen visualiseren.

Om de ademhaling na te bootsen, bedachten de wetenschappers een systeem waarin gas op een sinusvormige manier onder druk werd gezet en rond de flexibele buizen werd gepompt. Dit creëert een ademachtige cyclus van inademing en uitademing. Om stromingspatronen in het systeem te bestuderen, voegde de groep kleine rode polystyreenbolletjes toe aan de vloeistof die door buizen stroomt. Met deze bollen konden ze de beweging van de vloeistof fotograferen terwijl deze door de buizen werd geduwd door het kunstmatige ademhalingsapparaat.

Daaropvolgende vertakkingen in het bronchiale netwerk staan ​​bekend als generaties, en het team vond verschillende stroompatronen voor verschillende generaties. In de menselijke long verschijnen alveoli bij de 15e generatie en blijven ze generaties tot 23 aanwezig. De onderzoekers vonden een verandering in het stroompatroon tussen de 19e-20e en de 21e-22e generatie.

"Het alveolaire stroompatroon van de 19e generatie wordt gedomineerd door wervelstroom", zei auteur Yonggang Zhu. "Alveolaire stroompatronen in de 20e generatie zijn vergelijkbaar met die in de 19e, maar enigszins gecomprimeerd."

De onderzoekers zagen een verandering in de volgende generatie.

"Het alveolaire stromingspatroon in de 21e generatie heeft zowel wervelstroom als radiale stroming. Het vortexgebied is veel kleiner dan het radiale stromingsgebied. Tegen de tijd dat de stroming de 22e generatie bereikt, verdwijnt de wervelstroom volledig en zien we alleen radiale stroming ," zei Zhu.

De auteurs vonden ook bewijs van chaotisch gedrag in de buurt van het vortexcentrum. Ze zeiden dat er meer onderzoek nodig is om dit volledig te begrijpen, maar ze waren van mening dat de huidige studie een goede basis biedt voor dieper onderzoek.

Met het model kunnen onderzoekers veranderingen in stromingspatronen in de longblaasjes bestuderen als gevolg van ziekten zoals emfyseem en COPD.

Het artikel "Microflows in alveolaire cellen van twee generaties bij een acinaire bifurcatie" is geschreven door Yue Yang, Weitao Bai, Jun Dong, Huimin Lv en Yonggang Zhu. Het artikel zal verschijnen in Biomicrofluidics op 6 september 2022. + Verder verkennen

Hydrodynamisch model van visoriëntatie in een kanaalstroom