< Terug naar vorige pagina
Project
Structuur en reologie van mucus en longsurfactanten.
In het eerste deel van deze studie wordt een complete analyse van het effect van temperatuur en oppervlaktedruk op de interfasereologie van DPPC monolagen in afschuiving beschreven. De monolaag gedraagt zicht als een visco-elastische vloeistof met domeinstructuur. De interactie tussen de moleculen kan gemeten worden bij lage frequenties en thermisch gevormde monolagen. De complexe viscositeit in de limiet van lage frequenties is bepaald voor een brede range aan temperaturen en oppervlaktedrukken. Het effect van temperatuur en oppervlaktedruk op deze viscositeit kan terug gebracht worden tot een effect van vrij moleculair oppervlak. Bij hogere frequenties of na een voorbehandeling van de interfase met een hoge afschuifsnelheid, neemt de elastische modulus van de interfase toe. Waarschijnlijk wordt deze elasticiteit veroorzaakt door de domeingrenzen. Devoorbehandeling van de interfase met hoge afschuifsnelheden verfijnd dedomeinstructuur van de monolaag en induceert meer defecten. Bij gevolg kunnen afwijkende resultaten met betrekking tot de interfasereologie vanDPPC in verschillende publicaties mogelijk verklaard worden door een verschillende voorgeschiedenis van de interfase. Tot slot laten de verkregen dataset en schaalwetten toe de oppervlakteviscositeit van DPPC te bepalen voor de fysiologische condities in de longen.
In het tweede deel wordt het effect van interfasereologie op de mobiliteit van dunne surfactant films onderzocht. Drie klinische vervangers van natuurlijk longsurfactant (Survanta, Curosurf en Infasurf) worden met elkaar vergeleken samen met het effect van het menselijk serum eiwit albumine (HSA). Om de condities in de longen volledig te imiteren wordt niet enkel detemperatuur in de setup gecontroleerd, maar worden ook de wanden van degeometrie bedekt met menselijke alveolaire epitheel cellen. Experimentele observaties van de afvloeiende en dunner wordende film in de setup samen met een wiskundig model, geven aan dat de snelheid waarmee de film dunner wordt niet enkel bepaald wordt door de interfasereologie in afschuiving, maar ook die in dilatatie en de aanwezigheid van Marangoni spanningen. Helaas laat de setup niet toe deze verschillende elementen te differenti\"eren. Vermits reeds zeer kleine oppervlaktespanningsgradi\"entenvoldoende zijn om de waarnemingen te verklaren en deze gemakkelijk bereikt kunnen worden met de kleine oppervlaktewijzigingen in de setup, leidt dit tot de conclusie dat zeer waarschijnlijk Marangoni spanningen verantwoordelijk zijn voor de geobserveerde resultaten. Voor Survanta en HSAspeelt mogelijks ook de oppervlakte-elasticiteit een belangrijke rol. De aanwezigheid van de alveolaire epitheelcellen remt het afvloeien van de film nog verder af door hun oppervlakteruwheid.
In het derde deel van deze studie is de mogelijkheid van het long surfactant onderzochtom een zeer lage oppervlaktespanning of zeer hoge oppervlakte druk te behouden. Vier verschillende mechanismen die het oppervlak in deze metastabiele toestand kunnen houden, werden met elkaar vergeleken: de interfasereologie, de reologie van de subfase, trage diffusie in bulk en beperkte sorptiekinetica. Hoewel er geen informatie bekend is over de interfasereologie in dilatie, kan uit de tijdschaal waargenomen tijdens experimenten en het effect van bulkconcentratie worden afgeleid dat de sorptiekinetiek een dominante rol speelt. De adsorptie- en desorptiekinetiekwerden gekwantificeerd door het herstel van de oppervlaktespanning naarde evenwichtswaarde te observeren na een permutatie. De karakteristieketijd voor adsorptie is sterk afhankelijk van de bulkconcentratie. Deze bedraagt ongeveer 30 s in de experimentele opstelling, maar voor hogere surfactantconcentraties in de longen daalt deze waarschijnlijk tot ongeveer 1.4 s. De desorptiekinetiek is niet afhankelijk van de concentratie in bulk, maar wordt wel sterk bepaald door de voorgeschiedenis van de monolaag. Voor een normale geadsorbeerde laag bedraagt de karakteristieke tijd voor desorptie ongeveer 35 s, maar na herhaaldelijke compressie/expansie cycli, vergelijkbaar met de ademhaling, vertraagt de desorptiekinetiek dramatisch en wordt een metastabiele toestand met een lage oppervlaktespanning bekomen. Daarenboven kan het verlies van deze metastabiele toestand worden uitgesteld door het herhaaldelijk uitvoeren van een groteexpansie/compressie cyclus.
Tot slot kan gebaseerd op de verworven fundamentele inzichten met betrekking tot de interfase dynamica van het hoofdbestanddeel van het long surfactant DPPC en de natuurlijke longsurfactantvervangers in combinatie met de expertise en observaties van pneumologen en biomedische wetenschappers, een nieuwe blik geworpen worden op de mogelijk functie van het surfactant in de longen. De adsorptie- en desorptiekinetiek zijn mogelijks van vitaal belang in combinatie met het menselijk ademhalingspatroon om een metastabiele toestandmet zeer lage oppervlaktespanning in de longen te behouden. De lage interfaseviscositeit in combinatie met een beperkte bulkviscositeit laten mogelijks significante Marangonistromingen in de longen toe. Deze kunnen zeer belangrijk zijn om een opbouw van surfactant in de alveoli te voorkomen alsook het oppervlak te reinigen op hun weg naar de bovenste luchtwegen.
In het tweede deel wordt het effect van interfasereologie op de mobiliteit van dunne surfactant films onderzocht. Drie klinische vervangers van natuurlijk longsurfactant (Survanta, Curosurf en Infasurf) worden met elkaar vergeleken samen met het effect van het menselijk serum eiwit albumine (HSA). Om de condities in de longen volledig te imiteren wordt niet enkel detemperatuur in de setup gecontroleerd, maar worden ook de wanden van degeometrie bedekt met menselijke alveolaire epitheel cellen. Experimentele observaties van de afvloeiende en dunner wordende film in de setup samen met een wiskundig model, geven aan dat de snelheid waarmee de film dunner wordt niet enkel bepaald wordt door de interfasereologie in afschuiving, maar ook die in dilatatie en de aanwezigheid van Marangoni spanningen. Helaas laat de setup niet toe deze verschillende elementen te differenti\"eren. Vermits reeds zeer kleine oppervlaktespanningsgradi\"entenvoldoende zijn om de waarnemingen te verklaren en deze gemakkelijk bereikt kunnen worden met de kleine oppervlaktewijzigingen in de setup, leidt dit tot de conclusie dat zeer waarschijnlijk Marangoni spanningen verantwoordelijk zijn voor de geobserveerde resultaten. Voor Survanta en HSAspeelt mogelijks ook de oppervlakte-elasticiteit een belangrijke rol. De aanwezigheid van de alveolaire epitheelcellen remt het afvloeien van de film nog verder af door hun oppervlakteruwheid.
In het derde deel van deze studie is de mogelijkheid van het long surfactant onderzochtom een zeer lage oppervlaktespanning of zeer hoge oppervlakte druk te behouden. Vier verschillende mechanismen die het oppervlak in deze metastabiele toestand kunnen houden, werden met elkaar vergeleken: de interfasereologie, de reologie van de subfase, trage diffusie in bulk en beperkte sorptiekinetica. Hoewel er geen informatie bekend is over de interfasereologie in dilatie, kan uit de tijdschaal waargenomen tijdens experimenten en het effect van bulkconcentratie worden afgeleid dat de sorptiekinetiek een dominante rol speelt. De adsorptie- en desorptiekinetiekwerden gekwantificeerd door het herstel van de oppervlaktespanning naarde evenwichtswaarde te observeren na een permutatie. De karakteristieketijd voor adsorptie is sterk afhankelijk van de bulkconcentratie. Deze bedraagt ongeveer 30 s in de experimentele opstelling, maar voor hogere surfactantconcentraties in de longen daalt deze waarschijnlijk tot ongeveer 1.4 s. De desorptiekinetiek is niet afhankelijk van de concentratie in bulk, maar wordt wel sterk bepaald door de voorgeschiedenis van de monolaag. Voor een normale geadsorbeerde laag bedraagt de karakteristieke tijd voor desorptie ongeveer 35 s, maar na herhaaldelijke compressie/expansie cycli, vergelijkbaar met de ademhaling, vertraagt de desorptiekinetiek dramatisch en wordt een metastabiele toestand met een lage oppervlaktespanning bekomen. Daarenboven kan het verlies van deze metastabiele toestand worden uitgesteld door het herhaaldelijk uitvoeren van een groteexpansie/compressie cyclus.
Tot slot kan gebaseerd op de verworven fundamentele inzichten met betrekking tot de interfase dynamica van het hoofdbestanddeel van het long surfactant DPPC en de natuurlijke longsurfactantvervangers in combinatie met de expertise en observaties van pneumologen en biomedische wetenschappers, een nieuwe blik geworpen worden op de mogelijk functie van het surfactant in de longen. De adsorptie- en desorptiekinetiek zijn mogelijks van vitaal belang in combinatie met het menselijk ademhalingspatroon om een metastabiele toestandmet zeer lage oppervlaktespanning in de longen te behouden. De lage interfaseviscositeit in combinatie met een beperkte bulkviscositeit laten mogelijks significante Marangonistromingen in de longen toe. Deze kunnen zeer belangrijk zijn om een opbouw van surfactant in de alveoli te voorkomen alsook het oppervlak te reinigen op hun weg naar de bovenste luchtwegen.
Datum:1 okt 2010 → 18 dec 2014
Trefwoorden:Mucin, Surface rheology, Lung surfactants, Rheology
Disciplines:Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica, Katalytische reactietechnieken, Chemisch productontwerp en formulering, Algemene chemische en biochemische ingenieurswetenschappen, Process engineering, Scheidings- en membraantechnologie, Transportfenomenen, Andere (bio)chemische ingenieurswetenschappen, Polymere materialen
Project type:PhD project