Alveolerna är de grundläggande funktionella enheterna i det mänskliga andningssystemet, som fungerar som små luftsäckar som utbyter gaser. Luft som inandas genom munnen och näsan strömmar in i lungorna genom bronkialrörens grenade struktur, och alveolerna uppträder i de djupa delarna av detta nätverk.

För att till fullo förstå och behandla luftvägssjukdomar är det viktigt att bestämma flödesmönstret för luft och partiklar genom alveolerna. I Biomicrofluidics , skapade forskare från Harbin Institute of Technology i Kina en modell av alveolsystem som efterliknar andningsverkan från den mänskliga lungan och möjliggör visualisering av flödesmönster i alveolerna.

Utredarna designade ett chip som inkluderar rör arrangerade som strukturen av en bifurkationspunkt i bronkialnätverket. Det övre lagret av chipet är gjort av en flexibel polymer gjuten till små rör som efterliknar alveolstrukturen. Det undre lagret är glas, vilket gör att författarna kan visualisera vätskeflödet genom rören.

För att efterlikna andning, utarbetade forskarna ett system där gas trycksattes på ett sinusformigt sätt och pumpades runt de flexibla rören. Detta skapar en andningsliknande cykel av inandning och utandning. För att studera flödesmönster i systemet lade gruppen till små röda polystyrenkulor till vätskan som strömmade genom rören. Dessa sfärer tillät dem att fotografera vätskans rörelse när den trycktes genom rören av den konstgjorda andningsapparaten.

Efterföljande grenar i bronkialnätverket kallas generationer, och teamet hittade olika flödesmönster för olika generationer. I den mänskliga lungan uppträder alveolerna vid den 15:e generationen och förblir närvarande i generationer upp till 23. Forskarna fann en förändring i flödesmönster mellan 19:e–20:e och 21:a–22:a generationerna.

"Det alveolära flödesmönstret för den 19:e generationen domineras av virvelflöde", sa författaren Yonggang Zhu. "Alveolära flödesmönster i den 20:e generationen liknar dem i den 19:e, men något komprimerade."

Utredarna observerade en förändring i nästa generation.

"Det alveolära flödesmönstret i den 21:a generationen har både virvelflöde och radiellt flöde. Vortexområdet är mycket mindre än det radiella flödesområdet. När flödet når den 22:a generationen försvinner virvelflödet helt, och vi observerar endast radiellt flöde ", sa Zhu.

Författarna hittade också bevis på kaotiskt beteende nära virvelcentret. De sa att det behövs mer forskning för att helt förstå detta, men de ansåg att den aktuella studien ger en bra baslinje för djupare undersökningar.

Med modellen kommer forskare att kunna studera förändringar i flödesmönster i alveolerna på grund av sjukdomar som emfysem och KOL.

Artikeln "Microflows in two-generations alveolar cells at an acinar bifurcation" är författad av Yue Yang, Weitao Bai, Jun Dong, Huimin Lv och Yonggang Zhu. Artikeln kommer att visas i Biomicrofluidics den 6 september 2022. + Utforska vidare

Hydrodynamisk modell av fiskens orientering i ett kanalflöde