소식

Oct 19, 2023

유체의 역학 이해

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20399(2022) 이 기사 인용

904 액세스

측정항목 세부정보

변형 가능한 미세 유체 시스템과 유체 역학 모델은 유체 역학 이론으로 인한 상아질 과민성을 이해하도록 설계된 일시적 흐름의 동적 유체-구조 상호 작용을 이해하기 위해 성공적으로 결합되었습니다. 미세유체 칩의 폴리디메틸실록산 얇은 측벽은 50~500mbar 범위의 공기 압력으로 변형되어 중앙 액체 채널의 액체 메니스커스를 이동시킵니다. 실험에 따르면 메니스커스는 처음 10분의 1초에 급격하게 증가했으며 그 증가는 적용된 압력에 비선형적으로 비례합니다. 비정상 베르누이 방정식을 기반으로 이론적 모델이 개발되었으며 벽 두께에 관계없이 액체 변위의 끝점과 역학 과정을 잘 예측할 수 있습니다. 더욱이, 머리 손실 계수를 몇 차수 감소시킴으로써 오버슈팅 및 진동 현상이 관찰되는데, 이는 상아세관 내 액체 이동으로 인한 상아질 과민성을 설명하는 열쇠가 될 수 있습니다.

변형 가능한 미세유체는 적어도 하나의 변형 가능한 측벽을 갖고 있으며 외부 압력에 의해 작동될 수 있는 독특한 유형의 마이크로 시스템입니다1. 이 새로운 기술은 자동화된 액체 수송2,3, 입자/세포 분류4,5 및 세포 역학 특성화6,7에 활용되었습니다. 이 프로젝트에서 우리는 이 기술을 사용하여 미국에서 매년 300만 명 이상의 사람들에게 상아질 과민증 문제를 일으키는 상아세관의 기계적 민감성 이온 채널을 이해하는 데 사용할 수 있음을 보여줍니다8.

수많은 상아질 미세소관이 치수벽에서 외부 상아질-법랑질 접합부(DEJ)까지 방사됩니다. 대부분의 상아질 미세소관은 수초가 없는 말단 원섬유, 치아모세포 돌기(상아모세포의 확장) 및 상아액으로 채워져 있습니다10. 효과적인 치아통증 치료법을 설계하기 위해서는 구강관리 산업에서 치아의 열통증이 어떻게 발생하고 이러한 미세소관 구조를 통해 치아 신경 분포 시스템으로 전달되는지 이해하는 것이 중요합니다. 통증 생성 및 전달에 대한 가장 대중적인 이론은 유체 역학 이론으로, 치아 통증 감각은 상아 미세소관 내 상아액 이동의 결과로 기계적 민감성 통각 수용기의 자극에 기인합니다. 특히, 미세소관의 열적 변형은 세뇨관 내부의 미세흐름이 전단 응력을 형성하게 하여 채널 끝의 상아모세포를 자극하게 됩니다. 제한된 전산 시뮬레이션 연구12,13에도 불구하고 복잡한 유체 구조 역학은 유체 역학 실험14을 통해 제한된 범위에서만 검증되었으며 기본 메커니즘을 이해하려면 이론적 모델이 필요합니다. 실험이 부족한 것은 부분적으로 측정의 어려움과 물리적 실험의 윤리적 문제에 기인합니다. 이 프로젝트에서는 변형 가능한 미세유체를 활용하여 미세소관의 흐름을 재현하여 문제를 해결합니다.

폴리디메틸실록산(PDMS)은 높은 변형성, 생체 적합성 및 안정성과 같은 장점을 지닌 변형 가능한 미세 유체를 위한 가장 인기 있는 건축 자재 중 하나입니다. 우리는 최근 PDMS 기반 변형 미세유체의 기계적 특성이 제어된 미세입자 포착 및 방출을 가능하게 한다는 것을 보여주었습니다. 그러나 과거 연구에서는 정상유동에서의 유체-구조 상호작용에 초점을 맞췄습니다. 이에 비해 과도 흐름에서 유체-구조 상호 작용에 대한 체계적인 연구는 훨씬 적습니다. 예를 들어, Whittaker et al. 탄성 벽을 이용한 튜브 진동의 이론적 모델을 개발했습니다. 그럼에도 불구하고 일시적인 실험 관찰에 대해 검증할 수 있는 동적 이론 모델은 완전히 확립되지 않았습니다.

본 연구에서는 PDMS를 사용하여 ADMC(Air Deflected Microfluidic Chip)를 구성하고 변형 가능한 측벽에 공기압을 입력하여 유체 변위를 연구합니다. 메니스커스 높이 변화는 상용 고니오미터를 특징으로 하며 맞춤형 설계된 LabVIEW 프로그램을 사용하여 수집된 이미지를 처리합니다. 본 연구는 미세유체 실험을 수행하여 일시적인 흐름에서 유체-구조 상호 작용에 대한 지식 격차를 메우고 유체 역학 관찰을 일치시키고 설명할 수 있는 이론적 모델을 개발하여 미세 규모에서 상아질 과민증을 이해하는 핵심 단계를 확립하도록 설계되었습니다. .