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Un sistema di respirazione artificiale rivela il funzionamento degli alveoli nei polmoni

Il modello – messo a punto da un gruppo di ricercatori dell’Harbin Institute of Technology, Cina -  mima  l'inspirazione e l'espirazione fisiologiche per permettere agli scienziati di studiare i modelli di flusso nella rete bronchiale.

Un team di ricercatori dell’Harbin Institute of Technology, Cina, ha messo a punto un modello di sistema alveolare che mima l’azione respiratoria del polmone umano e permette di visualizzare il flusso all’interno degli alveoli. Il chip progettato comprende tubi disposti come la struttura anatomica di un punto di biforcazione della rete bronchiale.

Lo strato superiore è stato realizzato con un polimero flessibile costituito da piccoli tubi che imitano la struttura alveolare, mentre lo strato inferiore è di vetro e consente agli autori di visualizzare il flusso attraverso i tubi.

Gli alveoli sono le unità funzionali di base del sistema respiratorio umano e agiscono come piccole sacche d’aria in grado di permettere lo scambio dei gas. L’aria inspirata attraverso la bocca e il naso arriva nei polmoni attraverso la struttura ramificata dei bronchi e gli alveoli costituiscono il punto terminale di questa rete.

Per comprendere e trattare appieno le malattie respiratorie è importante determinare il modello di flusso dell’aria e del particolato attraverso gli alveoli.

Per imitare la respirazione, gli scienziati hanno ideato un sistema in cui il gas è stato pressurizzato in modo sinusoidale e pompato nei tubi flessibili, producendo così un ciclo di inspirazione ed espirazione simile alla respirazione fisiologica.

Per studiare i modelli di flusso nel sistema, il gruppo ha aggiunto piccole sfere di polistirene rosso al fluido che scorre attraverso i tubi. Queste sfere hanno permesso di fotografare il movimento del fluido mentre veniva spinto attraverso i tubi dall’apparato respiratorio artificiale.

I rami successivi della rete bronchiale sono di calibro sempre più piccolo e prendono il nome di bronchioli; il team ha trovato modelli di flusso diversi per queste strutture. Nel polmone umano, gli alveoli compaiono alla 15a ramificazione dei bronchi e rimangono presenti fino alla 23a. I ricercatori hanno riscontrato un cambiamento nel modello di flusso tra la 19°-20° e la 21°-22° ramificazione.

“Il modello di flusso alveolare della 19a ramificazione bronchiale è dominato dal flusso vorticoso”, osserva l’autore Yonggang Zhu. “I modelli di flusso alveolare della 20a ramificazione sono simili a quelli della 19a ma sono leggermente compressi”.

I ricercatori hanno poi osservato un cambiamento nella ramificazione successiva.

“Il modello di flusso alveolare della 21a ramificazione presenta sia un flusso a vortice che un flusso radiale e la regione dei vortici è molto più piccola di quella del flusso radiale. Quando il flusso raggiunge la 22a ramificazione, i vortici scompaiono completamente e si osserva solo un flusso radiale”, ha detto Zhu.

Grazie a questo modello, i ricercatori potranno studiare i cambiamenti di flusso negli alveoli dovuti a malattie come l’enfisema e la BPCO.

Fonte: American Institute of Physics

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