Microcyclone arrays for high resolution bioaerosol fractionation and viable virus collection
用于高分辨率生物气溶胶分级和活病毒收集的微旋风阵列
基本信息
- 批准号:10593436
- 负责人:
- 金额:$ 19.43万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-12-22 至 2024-11-30
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:3-Dimensional3D PrintAddressAerosolsAirAlveolusBacteriaBiological AvailabilityBreathingBypassClinical ResearchCollectionComplexCoughingCoupledDevelopmentDevicesDiameterDimensionsDiseaseDisease modelElementsEnvironmentEvaluationExhalationExhibitsFractionationFungal SporesFutureGoalsHourHybridsHydration statusHydrogelsImmobilizationIndividualInfectionInfluenzaInhalationLaboratoriesLungMicrospheresModelingMoldsMucous body substanceParticle SizePatternPenetrationPerformancePersonsPlant ResinsPlaque AssayPolystyrenesProcessQuantitative Reverse Transcriptase PCRResolutionRespiratory DiseaseRespiratory ProcessRiskSamplingSeriesSneezingStreamStructureSystemTechniquesTechnologyValidationViralVirusaerosolizeddesigndisease transmissionfabricationimprovedinfluenza infectioninfluenzavirusinnovationinstrumentlithographymanufacturemeteroperationparticlepathogenresidencerespiratory virussample collectiontechnology validationtooltransmission processviral transmission
项目摘要
PROJECT SUMMARY
Our objective is to develop a multi-stage microscale cyclone technology that will serve as an efficient and scalable
platform for bioaerosol fractionation, enabling more effective studies of fundamental and applied viral aerobiology. The
microcyclones will be designed to isolate selected aerosol size fractions collected from exhaled breath samples,
enabling the distribution of respiratory virus within these samples to be evaluated with high size resolution. Significantly,
the technology will be designed to overcome the limitations of existing aerobiological instruments by enhancing the
dynamic size range, maximum number of collected fractions, resolution, throughput, and bioefficiency. The platform
will take advantage of a high resolution stereolithography-based 3d printing technique to pattern large arrays of
complex microcyclone structures in a monolithic substrate, with multiple arrays placed in series to allow selected
aerosol size ranges to be isolated from the sample flow. The system will further support the integration of a hydrogel
layer within each microcyclone array to allow the capture of live virus for infectivity studies. The microcyclone arrays
will be combined with an established exhaled breath collection system and employed to study the distribution of
influenza virus from infected subjects. To support these goals, individual microcyclone elements will be designed,
fabricated, characterized, and optimized for isolating at least five distinct aerosol size fractions ranging from 200 nm to
10 µm, followed by the development of full microcyclone arrays integrating hundreds of individual separation elements
in a single device. A set of cascaded arrays will be assembled into a reusable cartridge to enable collection of all target
fractions within a single integrated unit, and the resulting cartridge will be interfaced with the existing system for high-
volume exhaled breath collection (the G-II sampler developed in the Milton laboratory). The integrated instrument will
be used to collect exhaled breath samples from at least 15 individuals with active influenza infection for the evaluation
of virus distribution across all size fractions. The study results are expected to validate the technology as a powerful
tool for enhancing our understanding of aerobiology and improving modeling, risk analysis, and mitigation strategies
for a wide range of airborne diseases. Successful completion of these aims will offer a clear view of the potential of the
microcyclone array technology for collection and high resolution fractionation of bioaerosols from exhaled breath
samples. For future steps we envision optimizing bioefficiency of the technology to support culture of collected virus,
scaling the arrays to support environmental sampling at higher flow rates, and extending application of the technology
to the characterization of aerosolized bacteria and fungal spores.
项目概要
我们的目标是开发一种多级微型旋风分离器技术,该技术将作为一种高效且可扩展的技术
生物气溶胶分级分离平台,能够更有效地研究基础和应用病毒气生物学。
微旋风分离器将被设计用于分离从呼出气体样本中收集的选定气溶胶尺寸部分,
能够以高分辨率评估这些样本中呼吸道病毒的分布。
该技术旨在通过增强
动态尺寸范围、收集的级分的最大数量、分辨率、通量和生物效率。
将利用基于高分辨率立体光刻的 3D 打印技术来图案化大型阵列
单片基板中的复杂微旋风器结构,多个阵列串联放置以允许选择
该系统将进一步支持水凝胶的集成。
每个微旋风分离器阵列内都有一层层,可以捕获活病毒以进行感染性研究。
将与已建立的呼气收集系统相结合,用于研究呼气的分布
为了支持这些目标,将设计单独的微旋风元件,
制造、表征和优化用于分离至少五种不同的气溶胶尺寸分数,范围从 200 nm 到
10 µm,随后开发了集成数百个独立分离元件的完整微旋风分离器阵列
在单个设备中,一组级联阵列将被组装到可重复使用的盒中,以收集所有目标。
单个集成单元内的分数,所得的墨盒将与现有系统连接以实现高
呼出气量采集(Milton 实验室开发的 G-II 采样器)。
用于收集至少 15 名活动性流感感染者的呼出气样本进行评估
研究结果预计将验证该技术的强大功能。
增强我们对空气生物学的理解并改进建模、风险分析和缓解策略的工具
成功完成这些目标将使人们清楚地了解该技术的潜力。
用于收集和高分辨率分离呼出气体中的生物气溶胶的微旋风阵列技术
对于未来的步骤,我们设想优化该技术的生物效率以支持收集的病毒的培养,
扩展阵列以支持更高流速的环境采样,并扩展该技术的应用
雾化细菌和真菌孢子的表征。
项目成果
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