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Oct 19, 2023

Compreendendo a dinâmica dos fluidos

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 20399 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Um sistema microfluídico deformável e um modelo dinâmico fluídico foram acoplados com sucesso para entender a interação fluido-estrutura dinâmica em fluxo transiente, projetado para entender a hipersensibilidade dentinária causada pela teoria hidrodinâmica. As paredes laterais finas de polidimetilsiloxano do chip microfluídico são deformadas com pressão de ar variando de 50 a 500 mbar para mover o menisco líquido no canal líquido central. Os experimentos mostram que o menisco aumentou acentuadamente no primeiro décimo de segundo e o aumento não é linearmente proporcional à pressão aplicada. Um modelo teórico é desenvolvido com base na equação de Bernoulli instável e pode prever o ponto final do deslocamento do líquido, bem como o processo dinâmico, independentemente da espessura da parede. Além disso, um fenômeno de overshooting e oscilação é observado reduzindo o coeficiente de perda de carga em algumas ordens, o que pode ser a chave para explicar a hipersensibilidade dentinária causada pelo movimento do líquido nos túbulos dentinários.

A microfluídica deformável é um tipo único de microssistemas que possui pelo menos uma parede lateral deformável e pode ser acionada com pressão externa aplicada1. Essa tecnologia emergente tem sido utilizada no transporte automatizado de líquidos2,3, separação de partículas/células4,5 e caracterização da mecânica celular6,7. Neste projeto, demonstramos que esta tecnologia pode ser usada para entender os canais iônicos mecanossensíveis nos túbulos dentinários, que causam problemas de hipersensibilidade dentinária para mais de 3 milhões de pessoas a cada ano nos Estados Unidos8.

Numerosos microtúbulos dentinários são irradiados da parede pulpar para a junção dentina-esmalte exterior (DEJ)9. A maioria dos microtúbulos dentinários é preenchida por fibrilas terminais não mielinizadas, processos odontoblásticos (extensão do odontoblasto) e fluido dentinário10. É fundamental entender como a dor térmica do dente é gerada e transmitida ao sistema de inervação dentária por meio dessa estrutura de microtúbulos para que a indústria de higiene bucal possa projetar uma terapia eficaz para a dor de dente. A teoria mais popular da geração e transmissão da dor é a teoria hidrodinâmica11, que atribui a sensação de dor dentária à estimulação de nociceptores mecanossensíveis como consequência do movimento do fluido dentinário dentro dos microtúbulos dentinários. Especificamente, a deformação térmica dos microtúbulos causaria um microfluxo dentro dos túbulos para formar uma tensão de cisalhamento para estimular o odontoblasto no final dos canais. Apesar dos limitados estudos de simulação computacional12,13, a complicada dinâmica fluido-estrutura só foi validada de forma limitada com experimentos de dinâmica de fluidos14 e um modelo teórico é necessário para entender os mecanismos fundamentais. A falta de experimentos é parcialmente atribuída à dificuldade de medições e preocupações éticas em experimentos físicos. Neste projeto, aproveitamos a microfluídica deformável para reproduzir o fluxo dos microtúbulos para resolver os problemas.

O polidimetilsiloxano (PDMS) é um dos materiais de construção mais populares para microfluídica deformável com vantagens como alta deformabilidade, biocompatibilidade e estabilidade15. Recentemente, mostramos que as propriedades mecânicas da microfluídica deformável baseada em PDMS permitem a captura e liberação controladas de micropartículas16. No entanto, os estudos anteriores focaram na interação fluido-estrutura em fluxos estacionários17,18,19,20,21. Em comparação, os estudos sistemáticos da interação fluido-estrutura em fluxos transitórios são muito menores. Por exemplo, Whittaker et al. desenvolveram um modelo teórico de oscilação de tubo com parede elástica22. No entanto, um modelo teórico dinâmico que pode ser validado contra a observação experimental transiente não foi totalmente estabelecido.

Neste trabalho, construímos um chip microfluídico defletido de ar (ADMC) com PDMS e estudamos o deslocamento do fluido inserindo a pressão do ar nas paredes laterais deformáveis. A alteração da altura do menisco é caracterizada por um goniômetro disponível comercialmente e um programa LabVIEW personalizado é usado para processar as imagens coletadas. O presente estudo foi projetado para preencher a lacuna de conhecimento na interação fluido-estrutura em fluxos transitórios, realizando experimentos microfluídicos e desenvolvendo um modelo teórico que pode corresponder e explicar a observação da dinâmica dos fluidos, estabelecendo assim um passo fundamental para a compreensão da hipersensibilidade dentinária em microescala .