I ricercatori cinesi dell’Harbin Institute of Technology hanno creato un modello di sistema alveolare che imita l’azione respiratoria del polmone umano e permette di visualizzare i modelli di flusso all’interno degli alveoli. Il chip progettato comprende tubi disposti come la struttura di un punto di biforcazione della rete bronchiale. Lo strato superiore del chip è costituito da un polimero flessibile modellato in piccoli tubi che imitano la struttura alveolare. Lo strato inferiore è di vetro, che consente agli autori di visualizzare il flusso di fluidi attraverso i tubi. Gli alveoli sono le unità funzionali di base del sistema respiratorio umano e agiscono come piccole sacche d’aria che scambiano gas. L’aria inspirata attraverso la bocca e il naso fluisce nei polmoni attraverso la struttura ramificata dei tubi bronchiali, e gli alveoli appaiono nelle sezioni profonde 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 intorno ai tubi flessibili. In questo modo si crea un ciclo di inspirazione ed espirazione simile al respiro. Per studiare i modelli di flusso nel sistema, il gruppo ha aggiunto piccole sfere di polistirene rosso al fluido che scorreva attraverso i tubi. Queste sfere hanno permesso di fotografare il movimento del fluido mentre veniva spinto attraverso i tubi dall’apparato respiratorio artificiale.

Le differenze fra le ramificazioni

I rami successivi della rete bronchiale sono noti come ramificazioni, il team di esperti ha trovato modelli di flusso diversi per le diverse generazioni. Nel polmone umano, gli alveoli compaiono alla 15a ramificazione e rimangono presenti per le ramificazioni fino alla 23a. I ricercatori hanno riscontrato un cambiamento nel modello di flusso tra la 19a-20a e la 21a-22a ramificazione.

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

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

Gli autori hanno anche trovato prove di un comportamento caotico vicino al centro del vortice. Hanno affermato che sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere appieno questo fenomeno, ma ritengono che lo studio attuale fornisca una buona base per indagini più approfondite. Grazie al modello, i ricercatori potranno studiare i cambiamenti nei modelli di flusso negli alveoli dovuti a malattie come l’enfisema e la BPCO.