In Vitro Study of the Effect of Particle Characteristics and Flow Rate on Regional Deposition in Human Airways
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Dlouhodobé vdechování částic může přispívat ke vzniku nebo zhoršení nejrůznějších plicních onemocnění. Na druhou stranu, vdechování léčiv je často používanou metodou podávání léků proti astmatu a jiným nemocem dýchacího ústrojí. V obou případech je důležité dobře porozumět mechanismům, na jejichž základě funguje pohyb částic a jejich usazování v dýchacích cestách. Cílem této disertační práce bylo získat nová experimentální data depozice částic a analyzovat vliv tvaru částic a průtoku vzduchu na depozici. Byla studována depozice porézních a vláknitých částic v realistickém modelu dýchacích cest. Porézní částice byly vyrobeny různými metodami, např. sprejovým sušením nebo metodou krystalizace. Takto vyrobené částice byly použity při depozičních experimentech. Detekce částic byla provedena pomocí UV/VIS spektrofotometrie. Vláknitý aerosol byl vytvořen rozdrcením skelné vaty. Takto vzniklé vláknité částice byly několikrát prosety přes řadu sít a dále roztříděny podle délky pomocí klasifikátoru pracujícím na principu dielektroforézy. Následná depozice byla vyhodnocena použitím mikroskopie s fázovým kontrastem. Ke zrychlení analýzy byl vyvinut program, který dokáže na základě analýzy obrazu najít a spočítat vlákna. Výsledky experimentu byly použity k určení depozičních charakteristik. S jejich pomocí pak byl kvantifikován vliv tvaru částic a průtoku na míru usazování. Depoziční účinnost částic rostla v závislosti na Stokesově čísle, což poukazuje na vliv setrvačnosti při usazování částic. Bylo prokázáno, že depoziční účinnost porézních částic je podobná té u částic kulových při stejném Stokesově čísle. Vláknité částice se usazovali méně efektivně v porovnání s kulovými částicemi majícími stejné Stokesovo číslo. Jelikož byly okrajové podmínky dostatečně popsány a model plic je k dispozici i v digitální podobě, je možné data použít k validaci výsledků numerických simulací.
Inhalation of airborne particulate matter can trigger or exacerbate pre–existing lung conditions. On the other hand, inhalation of aerosolized medicaments can be used for treatment of various respiratory or systemic diseases. In both cases, it is essential to comprehend the particle transport and subsequent deposition. The aim of this PhD thesis is to obtain new experimental data on particle deposition and elucidate the effect of particle shape and flow rate on deposition. The deposition of porous and fibrous particles in the realistic replica of human respiratory airways was studied. The porous particles were produced by various methods, such as spray–drying or liquid–liquid interface crystallization. The produced particles were introduced into the replica and the subsequent deposition was detected using spectrophotometry. The fibrous particles were produced by crushing glass wool material. To narrow the fiber size distribution, the resulting fibers were sieved and then classified according to their length using a dielectrophoretic classifier. The fiber deposition inside the replica was detected using phase–contrast microscopy. To speed–up this analysis, an in–house software based on image processing was developed. The results were utilized to calculate deposition characteristics. The deposition efficiency of both particle types increased with increasing Stokes number indicating a significant role of impaction. Comparing their deposition efficiency to that of spherical particles, porous particles exhibited similar deposition efficiencies, however, fibers deposited less efficiently than spherical particles having the same Stokes number. As the boundary conditions were sufficiently described and the replica is available in a digital format, the data can be also employed in validation of numerical simulations.
Inhalation of airborne particulate matter can trigger or exacerbate pre–existing lung conditions. On the other hand, inhalation of aerosolized medicaments can be used for treatment of various respiratory or systemic diseases. In both cases, it is essential to comprehend the particle transport and subsequent deposition. The aim of this PhD thesis is to obtain new experimental data on particle deposition and elucidate the effect of particle shape and flow rate on deposition. The deposition of porous and fibrous particles in the realistic replica of human respiratory airways was studied. The porous particles were produced by various methods, such as spray–drying or liquid–liquid interface crystallization. The produced particles were introduced into the replica and the subsequent deposition was detected using spectrophotometry. The fibrous particles were produced by crushing glass wool material. To narrow the fiber size distribution, the resulting fibers were sieved and then classified according to their length using a dielectrophoretic classifier. The fiber deposition inside the replica was detected using phase–contrast microscopy. To speed–up this analysis, an in–house software based on image processing was developed. The results were utilized to calculate deposition characteristics. The deposition efficiency of both particle types increased with increasing Stokes number indicating a significant role of impaction. Comparing their deposition efficiency to that of spherical particles, porous particles exhibited similar deposition efficiencies, however, fibers deposited less efficiently than spherical particles having the same Stokes number. As the boundary conditions were sufficiently described and the replica is available in a digital format, the data can be also employed in validation of numerical simulations.
Description
Citation
BĚLKA, M. In Vitro Study of the Effect of Particle Characteristics and Flow Rate on Regional Deposition in Human Airways [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2018.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Vladimír Adamec, CSc. (člen)
Árpád Farkas, Dr. (člen)
prof. Ing. Miroslav Jícha, CSc. (člen)
RNDr. Pavel Mikuška, CSc. (člen)
Date of acceptance
2018-06-26
Defence
The thesis of Mr. Bělka addresses a very important topic, which is actual and societlly relevant.
The results of the work are original, and usefull with a practical for applications in several areas. The work was presented at high standards and published successfully.
There were significent weaknesses in the work.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení