Новости

Oct 19, 2023

Понимание динамики жидкости

Научные отчеты, том 12,

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20399 (2022) Цитировать эту статью

904 Доступа

Подробности о метриках

Деформируемая микрофлюидная система и гидродинамическая модель были успешно объединены для понимания динамического взаимодействия жидкости и структуры в переходном потоке, разработанного для понимания гиперчувствительности дентина, вызванной гидродинамической теорией. Тонкие боковые стенки микрофлюидного чипа из полидиметилсилоксана деформируются давлением воздуха в диапазоне от 50 до 500 мбар для перемещения жидкостного мениска в центральном жидкостном канале. Эксперименты показывают, что мениск резко увеличивается в первые 10 секунды и это увеличение нелинейно пропорционально приложенному давлению. Теоретическая модель разработана на основе нестационарного уравнения Бернулли и позволяет хорошо предсказать конечную точку вытеснения жидкости, а также динамику процесса независимо от толщины стенки. Более того, при уменьшении коэффициента потери напора на несколько порядков наблюдается явление перелета и колебаний, что может быть ключом к объяснению гиперчувствительности дентина, вызванной движением жидкости в дентинных канальцах.

Деформируемая микрофлюидика — это уникальный тип микросистем, который имеет по крайней мере одну деформируемую боковую стенку и может приводиться в действие внешним приложенным давлением1. Эта новая технология использовалась для автоматизированной транспортировки жидкостей2,3, сортировки частиц/клеток4,5 и определения характеристик клеточной механики6,7. В этом проекте мы демонстрируем, что эту технологию можно использовать для понимания механочувствительных ионных каналов в дентинных канальцах, которые вызывают проблемы гиперчувствительности дентина у более чем 3 миллионов человек каждый год в Соединенных Штатах8.

Многочисленные дентинные микротрубочки расходятся от стенки пульпы к внешнему дентино-эмалевому соединению (DEJ)9. Большая часть дентинных микротрубочек заполнена немиелинизированными концевыми фибриллами, одонтобластическими отростками (расширением одонтобластов) и дентинной жидкостью10. Для разработки эффективной терапии зубной боли крайне важно понять, как термическая боль в зубе генерируется и передается в систему иннервации зуба через эту структуру микротрубочек. Наиболее популярной теорией возникновения и передачи боли является гидродинамическая теория11, которая объясняет ощущение зубной боли стимуляцией механочувствительных ноцицепторов вследствие движения дентинной жидкости внутри дентинных микротрубочек. В частности, термическая деформация микротрубочек приведет к тому, что микропоток внутри канальцев создаст напряжение сдвига, стимулируя одонтобласты на концах каналов. Несмотря на ограниченные исследования по компьютерному моделированию12,13, сложная динамика структуры жидкости была подтверждена лишь в ограниченной степени с помощью экспериментов по гидродинамике14, и для понимания фундаментальных механизмов необходима теоретическая модель. Отсутствие экспериментов частично объясняется сложностью измерений и этическими проблемами физических экспериментов. В этом проекте мы используем деформируемую микрофлюидику для воспроизведения потока микротрубочек и решения этих проблем.

Полидиметилсилоксан (ПДМС) — один из самых популярных строительных материалов для деформируемой микрофлюидики, обладающий такими преимуществами, как высокая деформируемость, биосовместимость и стабильность15. Недавно мы показали, что механические свойства деформируемой микрофлюидики на основе ПДМС позволяют контролировать захват и высвобождение микрочастиц16. Однако прошлые исследования были сосредоточены на взаимодействии жидкости и структуры в установившихся потоках17,18,19,20,21. Для сравнения, систематических исследований взаимодействия жидкости и конструкции в переходных течениях гораздо меньше. Например, Уиттакер и др. разработал теоретическую модель колебаний трубы с упругой стенкой22. Тем не менее, динамическая теоретическая модель, которая может быть проверена на основе переходных экспериментальных наблюдений, еще не полностью создана.

В этой работе мы создаем микрофлюидный чип с отклонением воздуха (ADMC) с помощью PDMS и изучаем смещение жидкости, вводя давление воздуха на деформируемые боковые стенки. Изменение высоты мениска оценивается с помощью имеющегося в продаже гониометра, а для обработки собранных изображений используется специально разработанная программа LabVIEW. Настоящее исследование призвано заполнить пробел в знаниях о взаимодействии жидкости со структурой в переходных потоках путем проведения эксперимента по микрофлюидике и разработать теоретическую модель, которая может соответствовать и объяснить наблюдения гидродинамики, тем самым устанавливая ключевой шаг для понимания гиперчувствительности дентина в микромасштабе. .