Investigation of biological flows through particle image velocimetry (PIV) combined with several imaging techniques

Biyolojik akışlar, kardiyovasküler, solunum veya türlerin sinir sistemleri dahil olmak üzere biyolojik sistemlerin önemli bileşenleridir. Biyolojik akışlar damarlarda endotel hücreleriyle veya koku organında reseptör nöronlarıyla etkileşerek farklı sistemleri etkiler. Bu tezde dört farklı biyolojik akış incelenmiştir. Birincisi, tavuk embriyosunun sağ vitellin arterindeki (RVA) hemodinamiktir. İkinci araştırma, midyelerde emme ve pompalama akışlarının incelenmesidir. Üçüncü araştırma, zebra balığı embriyosundaki emme yoluyla beslenmenin incelenmesidir. Son çalışma, akış dinamiklerinin zebra balığı embriyosunun koku alma ve sinir sistemi üzerine olan etkisini araştırmaktır. İlk araştırmada hemodinamik kuvvetlerin tavuk embriyosunun gelişmekte olan kardiyovasküler sistemi üzerindeki rolünü araştırdık. Klinik deneyimler, pertürbe akışın normal vasküler büyüme sürecini konjenital kalp hastalıkları (CHD) ve CHD için fetal adaptasyon için etyoloji olarak bozduğunu düşündürmektedir. Bununla birlikte, hemodinamik, gen ifadesi ve embriyonik vasküler büyüme arasındaki ilişkiler, eşzamanlı, ardışık in vivo veri eksikliği nedeniyle zayıf olarak tanımlanabilmiştir. Bu çalışmada, tavuk embriyosunda 3 ardışık embriyonik evre için eş zamanlı kan hızı, pulsatil mikro basınç ve morfometrik veriler elde etmek için uzun süreli, zaman atlamalı optik koherens tomografi (OCT) görüntülemesi gerçekleştirildi. In-Vivo büyüme ve hemodinamik verilerle bağlantılı olarak, in vitro revers transkripsiyon polimeraz zincir reaksiyonu (RT-PCR) analizi, embriyonik arteryel duvarın histojenezi ve yeniden şekillendirilmesi ile ilgili transkript ekspresyonundaki değişiklikleri izlemek için gerçekleştirildi. Mikro yapısal veriler için invazif olmayan OCT görüntüleme tekniği ile damar büyümesi görüntülendi. OCT verileri PIV tekniğiyle birleştiğinde, birinci ve ikinci evreler arasındaki duvar kayma gerilmesinde (WSS) önemli artışlar olmakla birlikte engellendi ve daha sonra gözle görülür bir düşüş oldu. Midyelerin emme ve pompalama performansı için, deniz midyesi, Mytilus galloprovincialis'in hidrodinamik performansı, parçacık görüntülemeli hız ölçümü ile incelenmiştir. Midyelerin giriş akışı, çıkış jet akışı, emme performansı ve akış kontrol mekanizmalarını nicel olarak değerlendirdik. Midyelerin giriş akış yapıları koronal düzlemde literatürde ilk kez ölçüldü. Besinleri de taşıyan giriş akışı, midye içine üç boyutlu akış içeren konveksiyonla gönderilir. Giriş akış hızı, midye dışında hızlanmaya başlarken, midye kabuğunun içinde en yüksek değere ulaşır. Aynı zamanda basınç gradiyentini koronal düzlemde hesapladık. Giriş akışı midye kabuğu ucuna yaklaştıkça, emme kuvveti artar ve kabuk ucunda önemli hale gelir. Ayrıca, çıkış jet akış rejimleri 17 midye için incelenmiştir. Midyeler, çıkış jet akış yapısını tek potansiyel çekirdeği bölgesinden çift bölgeye değiştirebilir. Midye tarafından üretilen en yüksek çıkış jet hızı, midye boşluğu hacminin bir fonksiyonu olarak 2.77 cm/s ile 11.1 cm/s arasında değişir. Hidrodinamik enerji kaybının sajital düzlemde ölçümü, giriş akışı ile çıkış jet akışı arasında hiçbir etkileşim olmadığını ortaya koydu; bu ölçüm, midyelerin enerji tüketimi açısından verimli ve senkronize pompalama mekanizmasına sahip olduğunu gösteriyor. Bu verimli pompalama mekanizması, giriş akışı ile çıkış jet akışı arasındaki akış dönüş açısı ile ilişkilidir. Bu açı yaklaşık olarak 90o (s.d. 12o)'dir. Üçüncü araştırmada, zebra balığının emme yoluyla beslenmesinin hidrodinamiği araştırılmıştır. Emme yoluyla beslenme balık larvalarının hayatta kalması için kritik önem taşır; beslenme sırasında gıda yakalama esnasındaki başarısızlık hızla açlık ve ölüme neden olabilir. Emme yoluyla beslenmeyi araştıran akışkanlar mekaniği çalışmaları, büyük Reynolds sayılarındaki akışlarla beslenen yetişkin balıklarla sınırlıdır. Bu çalışmayla, zebra balığı larvalarının (2500 - 20000 μm toplam uzunluk) emme yoluyla beslenmesi sırasında oluşan dış akış yapıları mikroskobik parçacık görüntülemeli hız ölçümü (μPIV) kullanılarak literatürde ilk kez sunulmuştur. Maksimum emme hızı 1 mm/s ila 8 mm/s arasında değişir. Aynı zamanda ortalama basınç gradiyenti ve ağız boşluğuna yakın bölgedeki hız profili hesaplandı. Balıkların emme beslenmesindeki cevabı olmayan sorulardan biri olan, emme beslenme sırasında ağız boşluğunun şekli ve dinamiğini çalışmak için; Optik Koherens Tomografi (OCT) görüntülemenin ağız kinematiğini elde etme konusunda yararlı olduğu bulundu. Beslenme döngüsü boyunca ağız boşluğunun öngörülen alanının sırasıyla enine ve sajital düzlemler için % 162 ve % 22'ye kadar değiştiğini ortaya çıkardık. Bu bulgular hidrodinamik açıdan verimli biyomedikal ve mikro akışkan cihazlarının tasarımına ilham verebilir. Zebra balığı embriyonunun koku alma ve sinir sistemi de akışkanlar dinamiğinin bir konusudur. Hareketli tüyler ve sinir hücreleri embriyoların koku organının en üst tabakasında yer alır. Hareketli tüyler, zebra balığı embriyonunun burnunun etrafında akış oluşturur. Araştırmamızda, asimetrik olarak çalışan tüylerin burun çevresinde üç boyutlu akış oluşturduğunu gösterdik. Ayrıca, hareketli tüyler tarafından üretilen akışın durgun ortamlarda burun kokusu çektiğini gösterdik. Sonuçlarımız, akışın sinir sisteminin gerçekleştirdiği hesaplamanın hassasiyetini ve zamansal çözünürlüğünü geliştirdiğini gösterdi.