声学悬浮系统中非球形气泡振荡诱导微流
2021年5月9日
提出了一种快速可靠的技术来控制单个捕获声气泡的形状振荡，该技术基于两个气泡之间的聚结技术。稳态、对称控制的气泡形状振荡允许分析气泡界面附近产生的流体流动。
对气泡诱导的机械作用的理解在许多工程和治疗应用中至关重要。控制附近的气泡振荡和感应流仍然是一项具有挑战性的任务。所提出的技术允许控制被困在声学悬浮器中的单个气泡的形状振荡。
然后将诱导流可视化并与气泡动力学相关联。来自超声治疗应用实验室的学生Estelle Mezianai将演示该程序。首先，将振荡器的水箱放置到气泡生成，使激光器的聚焦点位于水箱内，导致每 5 到 10 毫焦耳激光脉冲产生火花。
打开超声换能器并增加施加的电压，直到气泡不再垂直上升，而是偏离压力反节点并被困住。将背光照明设置为连续发光二极管，并选择高速摄像机以观察被捕获的气泡。要捕获气泡并捕获其径向振荡，请将帧大小设置为 128 x 128 像素，将采集速率设置为 180 千赫兹。
记录在施加的传感器电压从 0 到 8 伏增加下 3 到 30 毫秒的气泡径向振荡。最后一次记录后，关闭超声换能器并捕获背景图像以进行后期分析。对于视频系列的后处理，请运行电压压力。
可执行文件。为一系列记录指定物理和实验参数以及施加的电压值。在气泡半径分析面板中，单击加载参数，然后选择包含所有视频系列和背景图像文件的文件夹。
对于每个视频文件，将绘制一个声学周期内气泡半径的演变，并叠加数值拟合。处理完所有视频后，单击线性回归以执行压力电压曲线的线性拟合。数据将保存到当前目录中的 txt 文件中。
为了诱导气泡聚结，打开超声换能器并将施加的电压设置得足够高，以便相应的声压可以触发表面不稳定，成核气泡，然后气泡将迁移到其捕获位置。当被捕获的气泡仅表现出球形振荡时，产生新的激光火花。当新气泡到达捕获位置时，发生聚结 如果聚结的气泡在火花后仅表现出球形振荡，则产生新的气泡。
但请注意，可能需要多次聚结才能达到发生非球形变形的半径。一旦聚结气泡表现出非球形振荡，记录气泡振荡约3至30毫秒，并使用该图确定气泡形状振荡的模数。要执行流体流量测量，请将帧速率设置为 180 千赫兹，将帧大小设置为 128 x 128 像素，并将曝光时间设置为 1 微秒，以记录气泡界面的动力学。
要记录染料示踪剂的运动，请将帧大小设置为 1024 x 768 像素，将帧速率设置为 600 赫兹，并将曝光时间设置为 1 毫秒。调整激光片的位置，使被照亮的颗粒对相机可见，并如图所示成核并捕获气泡。进一步调整激光片的位置，使气泡后面的阴影变得可见并诱导气泡聚结，直到出现稳定振荡的形状模式。
然后获取多个记录，在气泡动力学和微流之间切换。对于图像处理和分析，将包含捕获的粒子运动的电影文件导入图像J，然后单击图像，调整，亮度，对比度和自动。自动优化的图像将替换深色背景。
要显示生成的图案，请单击图像、堆栈和 Z 投影，然后选择图像投影的最大强度选项。将显示一个输出图像，其像素包含堆栈中所有图像的最大值。这里显示的是气泡聚结的完整序列，导致可以观察到的时间稳定对称控制非球形振荡。
当两个气泡之间的薄液膜破裂时，两个球形振荡气泡的接近阶段结束。在聚结时刻之后，仍然存在一个表现出复杂形状的非球形振荡的气泡，对应于任何动力系统激发后的瞬态振荡状态。经过十几到100个声学周期后，振荡形状稳定为稳态振荡。
一旦气泡被捕获并表现出稳定的形状振荡，就可以捕获气泡附近荧光示踪剂的运动。当形状振荡发生时，在气泡界面附近产生液体运动。在声学时间尺度上对气泡界面的动力学和在较低时间尺度上粒子运动的替代记录允许微流模式与给定的形状模式编号相关联。
如果气泡接口的动态包含补充模式，则由于模式之间的多种交互将生成特定模式，因此可以显着修改微流流。为了安全地将流动模式与给定形状的镇静剂相关联，请记住，有必要交替捕获气泡动力学和流动运动。这些发现可能在神经病理应用中具有实际用途，例如转化介导的药物递送。
事实上，众所周知，声泡会在细胞膜上施加流动引起的纯粹应力，从而导致其渗透。
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概述
本研究介绍了一种通过聚合方法控制单个被困声学气泡形状振荡的技术。该技术允许可视化和分析在气泡界面附近产生的流体流动。
关键研究组成部分
科学领域
- 声学托升
- 流体动力学
- 气泡力学
背景
- 理解气泡引起的机械作用对各种工程和治疗应用至关重要。
- 控制气泡振荡及其产生的流动仍然是一个重大挑战。
- 该研究集中于一种操纵单个气泡形状的方法。
- 引起的流动的可视化与气泡动力学相关联。
研究目的
- 开发一种可靠的控制气泡形状振荡的技术。
- 分析气泡界面周围的流体流动。
- 使用声学托升器展示该过程。
使用的方法
- 在水箱中使用激光火花生成气泡。
- 通过聚合技术控制气泡振荡。
- 可视化气泡周围的引起的流动。
- 由超声治疗应用实验室的一名学生进行展示。
主要结果
- 该技术成功地控制了被困气泡的形状振荡。
- 引起的流动被可视化并与气泡动力学相关联。
- 该方法对工程和治疗应用有潜在的应用前景。
- 展示突出了该技术的实际应用。
结论
- 所提出的技术对控制气泡动力学是有效的。
- 流动的可视化增强了对气泡相互作用的理解。
- 这项研究有助于治疗超声应用的进展。
常见问题
Executive Industry Relevance
Controlling nonspherical microbubble oscillations in an acoustic levitation system enables precise study of cavitation microstreaming and its mechanical effects on biological barriers. This capability is strategically relevant for biopharma R&D seeking to optimize ultrasound-mediated drug and gene delivery by enhancing cell membrane permeability in a controlled, localized manner. The approach supports predictive confidence in mechanistic de-risking at the interface of discovery biology and translational research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of therapeutic hypotheses involving mechanical modulation of cell membranes.
- Supports functional target validation by correlating bubble shape modes with induced shear stress patterns.
- Facilitates biological de-risking by providing quantitative links between oscillation dynamics and microstreaming effects.
Screening & Assay Development
- Prepares validated microbubble systems for downstream screening of ultrasound-mediated delivery protocols.
- Standardizes assay conditions by controlling oscillation symmetry and flow patterns.
- Enables reproducible, quantitative measurement of fluid-induced shear stress on model barriers.
Translational & Preclinical Research
- Aligns microstreaming patterns with disease-relevant models for targeted delivery studies.
- Supports continuity from mechanistic discovery to preclinical validation of ultrasound-based delivery strategies.
- Provides risk-adjusted data for advancing localized drug delivery modalities.
Pipeline & Workflow Integration
This method bridges early discovery and translational research by enabling controlled studies of microbubble-induced mechanical effects, supporting lead identification and preclinical model development.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on the role of microstreaming in membrane permeabilization.
- Screening: Delivers standardized, reproducible oscillation and flow conditions for comparative studies.
- Analytics: Provides quantitative measurements of bubble dynamics and fluid flow patterns for robust statistical analysis.
- Translational Research: Connects mechanistic findings to preclinical models of targeted drug delivery.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for studying acoustic microbubble effects across multiple R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in ultrasound-mediated delivery mechanisms and reduces mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of microbubble-based assays.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for novel delivery modalities and improves capital efficiency.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of targeted delivery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in acoustofluidics and high-speed imaging analysis.
- Needs specialized instrumentation, including acoustic levitation chambers and high-frame-rate cameras.
- Demands cross-team standardization of oscillation and imaging protocols.
- Must adapt protocols for different biological barrier models and delivery contexts.
- Limited by the need for precise control of bubble coalescence and oscillation modes.
