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Oct 19, 2023

Comprendere la dinamica dei fluidi

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20399 (2022) Citare questo articolo

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Un sistema microfluidico deformabile e un modello fluidodinamico sono stati accoppiati con successo per comprendere l'interazione dinamica fluido-struttura nel flusso transitorio, progettato per comprendere l'ipersensibilità della dentina causata dalla teoria idrodinamica. Le sottili pareti laterali in polidimetilsilossano del chip microfluidico vengono deformate con una pressione dell'aria compresa tra 50 e 500 mbar per spostare il menisco liquido nel canale liquido centrale. Gli esperimenti mostrano che il menisco aumenta bruscamente nei primi decimi di secondo e l'aumento è proporzionale in modo non lineare alla pressione applicata. Viene sviluppato un modello teorico basato sull'equazione instabile di Bernoulli e può prevedere con precisione il punto finale dello spostamento del liquido e il processo dinamico, indipendentemente dallo spessore della parete. Inoltre, riducendo di pochi ordini il coefficiente di perdita di testa, si osserva un fenomeno di overshooting e oscillazione che potrebbe essere la chiave per spiegare l'ipersensibilità dentinale causata dal movimento del liquido nei tubuli dentinali.

La microfluidica deformabile è un tipo unico di microsistemi che possiede almeno una parete laterale deformabile e può essere azionata con pressione applicata esterna1. Questa tecnologia emergente è stata utilizzata nel trasporto automatizzato di liquidi2,3, nello smistamento di particelle/cellule4,5 e nella caratterizzazione della meccanica cellulare6,7. In questo progetto dimostriamo che questa tecnologia può essere utilizzata per comprendere i canali ionici meccanosensibili nei tubuli dentinali, che causano problemi di ipersensibilità dentinale a oltre 3 milioni di persone ogni anno negli Stati Uniti8.

Numerosi microtubuli dentinali si irradiano dalla parete della polpa alla giunzione smalto-dentina esterna (DEJ)9. La maggior parte dei microtubuli dentinali sono pieni di fibrille terminali non mielinizzate, processi odontoblastici (estensione dell'odontoblasto) e fluido dentinale10. È fondamentale comprendere come il dolore termico del dente viene generato e trasmesso al sistema di innervazione del dente attraverso questa struttura di microtubuli affinché l'industria dell'igiene orale possa progettare un'efficace terapia del dolore dentale. La teoria più popolare sulla generazione e trasmissione del dolore è la teoria idrodinamica11, che attribuisce la sensazione del dolore dentale alla stimolazione dei nocicettori meccanosensibili come conseguenza del movimento del fluido dentinale all'interno dei microtubuli dentinali. Nello specifico, la deformazione termica dei microtubuli causerebbe un microflusso all'interno dei tubuli che forma uno stress di taglio per stimolare l'odontoblasto all'estremità dei canali. Nonostante i limitati studi di simulazione computazionale12,13, la complessa dinamica fluido-strutturale è stata validata solo in misura limitata con esperimenti di fluidodinamica14 ed è necessario un modello teorico per comprendere i meccanismi fondamentali. La mancanza di esperimenti è in parte attribuita alla difficoltà nelle misurazioni e alle preoccupazioni etiche negli esperimenti fisici. In questo progetto, sfruttiamo la microfluidica deformabile per riprodurre il flusso dei microtubuli per affrontare i problemi.

Il polidimetilsilossano (PDMS) è uno dei materiali da costruzione più popolari per la microfluidica deformabile con vantaggi quali elevata deformabilità, biocompatibilità e stabilità15. Recentemente abbiamo dimostrato che le proprietà meccaniche della microfluidica deformabile basata su PDMS consentono la cattura e il rilascio controllato di microparticelle16. Tuttavia, gli studi precedenti si sono concentrati sull’interazione fluido-struttura nei flussi stazionari17,18,19,20,21. In confronto, gli studi sistematici sull’interazione fluido-struttura nei flussi transitori sono molto meno numerosi. Ad esempio, Whittaker et al. sviluppato un modello teorico di oscillazione del tubo con parete elastica22. Tuttavia, non è stato completamente stabilito un modello teorico dinamico che possa essere validato rispetto all’osservazione sperimentale transitoria.

In questo lavoro, costruiamo un chip microfluidico con deflessione dell'aria (ADMC) con PDMS e studiamo lo spostamento del fluido immettendo la pressione dell'aria sulle pareti laterali deformabili. La variazione dell'altezza del menisco è caratterizzata da un goniometro disponibile in commercio e un programma LabVIEW progettato su misura viene utilizzato per elaborare le immagini raccolte. Il presente studio è progettato per colmare il divario di conoscenze sull'interazione fluido-struttura nei flussi transitori eseguendo esperimenti di microfluidica e sviluppando un modello teorico in grado di abbinare e spiegare l'osservazione fluidodinamica, stabilendo così un passo chiave per la comprensione dell'ipersensibilità della dentina su microscala .