Studying, diagnosing, and treating diseases are all becoming reliant on our ability to introduce drugs and genes into cells. Using an impinging inert gas jet promises to avoid the severe health risks associated with viral and chemical delivery, while also maintaining a low cost. This approach relies on applying a shear stress on the cellular membrane that will temporarily disrupt the membrane, allowing for macromolecules to passively diffuse into the cell. Work done at McGill University identified a range of gas dynamic pressures that cause temporary cell permeabilization for the specific setup used. This setup has been replicated to quantify the levels of shear acting on the membrane at the identified conditions. Computational fluid dynamics and an experimental technique known as photochromic molecular flow visualization were used to measure shear. The shear rate and spatial shear gradient were calculated for capillary diameters of 0.5mm, 0.68mm and 0.86mm at flowrates corresponding to the limits of temporary pore formation previously discovered. While a minimum shear rate is likely required for permeabilization to occur, the results indicate that the previously observed pattern of cell permeabilization is better matched by the shear gradient. These findings pave the way for the development of precise physical delivery methods. / En temps moderne, la recherche, le diagnostic et le traitement des maladies dépendent de notre capacité d'introduire des drogues et des gènes à l'intérieur des cellules. Une nouvelle méthode d'induire la perméabilisation cellulaire, dont l'application d'un jet de gaz inerte, a été étudié. Cette méthode a le potentiel d'éliminer les risques associés aux traitements chimique et viral, en plus d'être moins dispendieux. L'application du jet induit la rupture temporaire de la membrane cellulaire, ce qui permet aux macromolécules de se diffuser vers l'intérieur de la cellule. Auparavant, le groupe de recherche de McGill avait identifié la gamme de pression dynamique qui permet cette rupture temporaire pour l'installation du groupe. Cette installation a été reproduite afin de quantifier la contrainte de cisaillement appliqué à la membrane pour cette gamme de pression. La contrainte de cisaillement a été identifié au moyen de la mécanique des fluides numérique, ainsi qu'en utilisant une technique expérimentale nommée la visualisation de l'écoulement moléculaire photochromique. Le taux de cisaillement et le gradient spatial de cisaillement ont été calculés pour des diamètres du capillaire de 0.5mm, 0.68mm et 0.86mm et pour les débits de gaz qui correspondent aux limites de la rupture temporaire de la membrane. Les résultats indiquent que, même s'il requiert probablement un taux de cisaillement minimum pour induire la perméabilisation, le gradient spatial explique mieux le niveau de perméabilisation. Désormais, ces découvertes pourront faciliter le développement futur des méthodes physiques de perméabilisation cellulaire.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.116960 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Jonak, Paul |
| Contributors | Richard L Leask (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Chemical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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