Name: השראת מיקרו-סטרימינג על ידי תנודות בועות לא כדוריות במערכת ריחוף אקוסטית (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-09T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: חקור אוסצילציות לא כדוריות של בועות מיקרו במערכת ריחוף אקוסטית. השיטה מאפשרת שליטה בזרימות מיקרו וקורלציה בין דינמיקת הבועה לדפוסי הזרימה, עם יישומים פוטנציאליים למסירת תרופות ממוקדת.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכה על ידי LabEx CeLyA של אוניברסיטת ליון (ANR-10-LABX-0060 / ANR-11-IDEX-0007).

1. תכנון תא הריחוף האקוסטי
<ol><li>תכנן מיכל מעוקב שקוף אופטית (דמוי PMMA) (קצה 8 ס"מ ועובי 2.8 מ"מ לכל פנים) עם מודול הגיאומטריה של תוכנת סימולציה מולטיפיזיקלית (Table of Materials).</li>
	<li>הכנס משטח גלילי (Ø = 35 מ"מ) במרכז תחתית המיכל, כדי למדל את המתמר העל-קולי.</li>
	<li>הגדר את תנאי הגבול לאפס לחץ על כל קיר עם תזוזה רגילה של משרעת 1 מיקרומטר על פני המתמר.</li>
	<li>באמצעות מודול תחום תדרים, דמה את פונקציית תגובת התדר (FRF) של המיכל בתחום התדרים [10 - 40] קילוהרץ, בשלושת המיקומים השרירותיים loc1 = (0.01375, 0.01375, 0.04125), loc2 = (0, 0, 0.0088), ו- loc3 = (0.021725, 0.023375, 0.00935).</li>
	<li>להתאים את גודל המיכל כך שאחד המצבים האקוסטיים של החלל מתאים לתדר הנומינלי של המתמר (כאן 31.2 קילוהרץ). לפיכך, ה-FRF מכיל שיא תהודה אחד קרוב לתדר זה, כפי שמודגם באיור 3.</li>
	<li>שרטט את שדה הלחץ בתוך המיכל, כפי שמוצג באיור 4. מצב התהודה שנבחר חייב להכיל לפחות אנטי-צומת לחץ אחד בחלק הפנימי של המיכל, שעליו תילכד הבועה האקוסטית.</li>
	<li>בעת תכנון המיכל, עצב משטח עליון נייד עם חריץ מנחה בכל קצה כדי לסגור היטב את פני המיכל. קדח חור זעיר בחלק העליון על מנת למלא את המיכל בתווך הנוזלי.</li>
	<li>הניחו את מיכל המים על גבי מסגרת ביתית המכילה את מתמר האולטרסאונד (מסוג לנגווין, תדר נומינלי של 31.2 קילוהרץ). השתמשו בג'ל אקוגרפי כדי להצמיד את המתמר לדופן התחתונה של המיכל.</li>
	<li>הניחו את המיכל ואת מערכת המסגרת על גבי טבלת תזוזה תלת כיוונית עם ברגים מיקרומטריים.</li>
	<li>מלא את המיכל עם microfiltered, demineralized ומים (לא degassed, נפח ~ 500mL, רוויון חמצן של כ 8 מ"ג· L-1). הערה: שימוש במים שאינם מפורקים בגז במקום במים מנוטרלים מאפשר לשמור על בועות יציבות למשך הניסויים. שימוש במים נטולי גזים יאיץ את התכווצות הבועות עקב דיפוזיית גזים, גם אם היא מאוזנת מעט על ידי דיפוזיה מתוקנת (בתיווך אולטרסאונד).</li>
</ol>2. יצירת בועות וכיול אקוסטי
<ol><li>הכינו את מערך הניסוי המשמש לנוקלציה של בועות המושרה על-ידי לייזר, עירור אקוסטי והקלטה במהירות גבוהה (איור 5a,b,c). מערך הניסוי מורכב מ-(A) מערכת הריחוף האקוסטי, (B) ספק הכוח של הלייזר ו-(C) ראש הלייזר, (D) עדשה כדורית קעורה אחת, (E) עדשה קעורה פלאנו אחת ועדשה אספרית אחת, (F) המצלמה המהירה, (G) הדיודה המתמשכת פולטת האור. מאוחר יותר, למדידות של זרימות נוזלים (איור 5d) (H) יתווסף מקור לייזר גל רציף אחד, (I) תתווסף עדשה גלילית פלנו-קעורה ואחריה עדשה גלילית פלנו-קעורה המוכנסת מאחורי העדשה הראשונה ומכוונת על הציר האורתוגונלי.</li>
	<li>חבר את מתמר האולטרסאונד למחולל פונקציות. הגדר את אות העירור כ: צורת גל סינוסואידית, גל רציף, תדר 31.2 קילוהרץ. המשרעת היא הפרמטר המשתנה היחיד.</li>
	<li>הניחו את העדשה (D) במרחק של כ-6 ס"מ לפני ראש הלייזר (C).</li>
	<li>מקם את העדשה (E) במרחק של כ-12 ס"מ לפני העדשה (D).</li>
	<li>מקם את מיכל המים (A) כך שנקודת מיקוד של הלייזר ממוקמת בתוך מיכל המים, מה שמוביל ליצירת ניצוץ לכל פולס לייזר (5-10 mJ). ניצוץ הלייזר צריך להיות ממוקם כ -3 ס"מ מתחת לצומת הלחץ הממוקד. הערה: ללא אולטרסאונד (US), בועה גרעינית בלייזר תעלה לפנים העליונות עקב ציפה.</li>
	<li>הפעל את מתמר האולטרסאונד. הגדל את המתח המופעל עד שהבועה כבר לא עולה אנכית אלא סוטה לכיוון צומת הלחץ, ועבור לחץ גבוה מספיק, נלכדת.</li>
	<li>הגדר את התאורה האחורית (דיודה פולטת אור רציפה) ואת המצלמה במהירות גבוהה כדי לצפות בבועה הלכודה. הערה: בעת יצירת בועה חדשה באמצעות ניצוץ לייזר, קל ללכוד את מסלול הבועה המתקרבת למקום הלכידה שלה.</li>
	<li>הזז את מיקום ניצוץ הלייזר בתוך מיכל המים כך שמסלול הבועה יישאר בתוך מישור המוקד של המצלמה.</li>
	<li>מלכודת בועה אחת וללכוד את התנודות הרדיאליות שלה עם הפרמטרים הבאים: גודל מסגרת 128 x 128 פיקסלים, קצב רכישה 180 קילוהרץ. דוגמה לתנודות רדיאליות באמפליטודה גדולה על פני שתי תקופות אקוסטיות מוצגת באיור 6. גודל בועות גז טיפוסי נע בין 30 ל -80 מיקרומטר.</li>
	<li>הקלט את התנודות הרדיאליות של הבועות במהלך 3 עד 30 אלפיות השנייה על מנת ללכוד מאות עד אלפי תנודות בועות. חזור על הקלטה זו להגדלת המתחים המופעלים של המתמר. מתחים מופעלים אופייניים הם בטווח של 0 - 8 V. הערה: בעת שינוי המתח המופעל, מיקום שיווי המשקל של הבועה הכלואה נע מעט אנכית. כדי לעקוב אחר התנודות מבלי להזיז את התאורה האחורית והמצלמה, הניחו את המערכת (מתמר ומיכל מים) על שולחן נייד בעל שלושה כיוונים בדיוק מיקרומטרי.</li>
	<li>הפעל את מתמר האולטרסאונד וצלם תמונה אחת של הרקע לניתוח שלאחר הניתוח.</li>
	<li>לאחר התהליך של סדרת הסרטונים בעקבות הליך זה:<ol><li>הפעל את קובץ ההפעלה VoltagePressure.exe. הממשק המוצג באיור 7 אמור להיפתח. הערה: קובץ ה-script זמין כמסמך משלים.</li>
		<li>ציינו את הפרמטרים הפיזיים והניסיוניים בעמודה השמאלית (איור 7A).</li>
		<li>ציין את ערכי המתח המופעל עבור סדרת ההקלטות בטבלה הימנית התחתונה (איור 7B).</li>
		<li>בחלונית ניתוח רדיוס הבועה , לחצו על פרמטרי טעינה (איור 7C) ובחרו את התיקייה המכילה את כל הקבצים של סדרת הסרטונים שלכם, ולאחר מכן את תמונת הרקע (חובה).</li>
		<li>הבחירה מותרת בין ניתוח כל הסרטונים בבת אחת, על ידי לחיצה על אוטומטי, או אחד אחד על ידי לחיצה על צעד אחר צעד.</li>
		<li>עבור כל קובץ וידאו, האבולוציה של רדיוס הבועה משורטטת על פני תקופה אקוסטית אחת, והתאמה מספרית מונחת. העקומה האדומה מתאימה למודל ליניארי של ריילי-פלסט. רדיוס בועת שיווי המשקל מוצג (איור 7D).</li>
		<li>על פי ההתאמה המספרית, הלחץ המופעל עבור מתח זה מוצג בלוח הגרף לחץ (מתח) (איור 7E). הערך של הלחץ המופעל מוצג גם בטבלה הימנית התחתונה (איור 7B). לחצים מופעלים אופייניים המתאימים לדינמיקת מתח 0 - 8 V הם 0 - 25 kPa.</li>
		<li>לאחר עיבוד כל הסרטונים, לחץ על כפתור רגרסיה ליניארית כדי לבצע התאמה ליניארית של עקומת הלחץ / מתח. הנתונים (ערכי מתח ולחץ) נשמרים בקובץ .txt הממוקם בספריה הנוכחית. שיפוע ההתאמה מסופק.</li>
	</ol></li>
</ol>3. טכניקת התלכדות
<ol><li>הפעל את מתמר האולטרסאונד. הגדר את המתח המופעל גבוה מספיק כך שהלחץ האקוסטי המתאים עלול להוביל להפעלת אי יציבות פני השטח, על פי דיאגרמת הלחץ/רדיוס המספרית של אזורי אי-יציבות, כפי שמוצג באיור 8.</li>
	<li>גרעין בועה, אשר לאחר מכן תעבור למקום הלכידה שלה. אם הבועה הכלואה מציגה רק תנודות כדוריות, עבור לשלב הבא. אם מופיעות תנודות לא כדוריות:<ol><li>כבו את כוח האולטרסאונד כדי לאפשר לבועה לעלות למשטח העליון.</li>
		<li>שנה את אנרגיית הלייזר (על ידי כוונון עדין על פני כמה mJ) או הפחת את מתח המתמר.</li>
		<li>הפעל את כוח האולטרסאונד.</li>
		<li>גרעין בועה חדשה.</li>
		<li>חזור על הליך זה עד שגודל הבועה מוביל לתנודות כדוריות בלבד.</li>
	</ol></li>
	<li>כאשר בועה לכודה מציגה תנודות כדוריות בלבד, נוצר ניצוץ לייזר חדש. כאשר הבועה החדשה מגיעה למקום ההשמנה, מתרחשת התלכדות.</li>
	<li>אם הבועה המתלכדת מציגה תנודות כדוריות בלבד, נוצר בועה חדשה. ייתכן שיהיה צורך בהתלכדות מרובה כדי להגיע לרדיוס הבועה שבו מתרחשים עיוותים לא כדוריים. דוגמה להתלכדות בועות המובילה לתנודות לא כדוריות מוצגת באיור 9.</li>
	<li>ברגע שהבועה המגובשת מציגה תנודות לא כדוריות, רשמו את תנודות הבועות למשך זמן של כ-3 עד 30 אלפיות השנייה.</li>
	<li>זהו את מספר תנודות הצורה על-ידי התייחסות לאיור 10.</li>
</ol>4. מדידות זרימת נוזלים
<ol><li>במקרה של מדידות מיקרו-סטרימינג קוויטציה, יש להוסיף חלקיקי נותב פלואורסצנטיים למים לפני התגרענות הבועות. במחקר זה נעשה שימוש בחלקיקים של 0.71 מיקרומטר (Table of Materials). הם קטנים מספיק כדי להיות שקופים אקוסטית (לא מושפעים מכוח הקרינה האקוסטית) ולעקוב במדויק אחר הזרימה, כמו גם גדולים מספיק כדי לפזר אור לייזר. השתמש בשלוש טיפות עבור נפח מיכל המים, המתאים בקירוב 2.104 חלקיקים / מ"מ3.</li>
	<li>לפני ביצוע המדידות, הגדר את הפרמטרים הבאים ללכידת דינמיקת הבועות (ציר הזמן המהיר) וזרימת הנוזל (בקנה מידה נמוך):<ol><li>צור מחיצות של דיסק ההקלטה של המצלמה.</li>
		<li>לחלופין, הגדר את פרמטרי ההקלטה כ:<ol><li>קצב פריימים 180 קילוהרץ, גודל מסגרת 128 x 128 פיקסלים וזמן חשיפה 1 μs להקלטה אחת של הדינמיקה של ממשק הבועות</li>
			<li>קצב פריימים 600 הרץ, גודל מסגרת 1024 x 768 פיקסלים וזמן חשיפה של אלפית שנייה אחת להקלטה אחת של תנועת עוקבי צבע.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>השתמש בלייזר רציף.</li>
	<li>צור יריעת לייזר דקה על ידי מתן אפשרות לקרן הלייזר לעבור ברצף דרך עדשה גלילית קעורה פלאנו ועדשה גלילית פלאנו-קמורה המכוונת על ציר אורתוגונלי. ניתן לקבל רוחב קרן של כ-160 מיקרומטר.</li>
	<li>הגדר את גיליון הלייזר כך שיתאים למישור ההדמיה:<ol><li>הגדר את הלייזר במכשיר נייד כך שניתן יהיה להזיז את יריעת הלייזר במקביל למישור ההדמיה.</li>
		<li>כוונן את המיקום כך שהחלקיקים המוארים יהיו גלויים על ידי המצלמה.</li>
		<li>לאטום וללכוד בועה.</li>
		<li>התאם את מיקום יריעת הלייזר עוד יותר, כך שצל ייראה מאחורי הבועה. הבועה נמצאת כעת בתוך יריעת הלייזר, כפי שניתן לראות באיור 11.</li>
	</ol></li>
	<li>השראת התלכדות בועות עד להופעת מצב צורה מתנודד יציב.</li>
	<li>בצע מספר הקלטות העוברות הלוך ושוב בין דינמיקת בועות למיקרו-סטרימינג. הערה: כבה את מדפסת הלייזר הרציפה כאשר אין בה צורך. חימום יכול ליצור זרימות הסעה לא רצויות. כמו כן, כבה את הדיודה פולטת האור בעת ביצוע מדידות זרימת הזרימה.</li>
</ol>5. עיבוד תמונה כדי להמחיש את דפוסי microstreaming cavitation
<ol><li>התקן את תוכנת ההדמיה ImageJ לעיבוד וניתוח תמונה ב- Java. התקן גם את התוסף CINE File Reader כדי לפתוח את קבצי המצלמה במהירות גבוהה.</li>
	<li>לחץ על קובץ | ייבוא | CineFile ובחר את הווידאו *.cine המכיל את לכידת תנועת החלקיקים.</li>
	<li>בחר השתמש בערימה וירטואלית בחלון החדש, הסרטון נטען כעת.</li>
	<li>על מנת לצפות בתנועת החלקיקים מבלי להציג את תבנית ההזרמה, לחץ על תמונה | התאמה | בהירות/ניגודיות | אוטומטי. הרקע הכהה מוחלף כעת בתמונה הממוטבת אוטומטית.</li>
	<li>על מנת להציג את הדפוס המתקבל, לחץ על תמונה | ערימות | Z Project ובחר באפשרות Max Intensity להקרנת התמונה. תוצג תמונת פלט עם פיקסלים הכוללים את הערך המרבי על כל התמונות באוסף. התאם את ניגודיות התמונה כמתואר בשלב 5.4, במידת הצורך. הערה: מתקבלת תבנית זרימה כמו זו שמוצגת באיור 12b ובאיור 12d.</li>
</ol>

<ol><li>Roovers, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+ultrasound-driven+microbubble+dynamics+in+drug+delivery%3A+from+microbubble+fundamentals+to+clinical+translation%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">The role of ultrasound-driven microbubble dynamics in drug delivery: from microbubble fundamentals to clinical translation.</a> Langmuir. 35 (31), 10173-10191 (2019).</li>
<li>Liu, H. L., Fan, C. H., Ting, C. Y., Yeh, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+microbubbles+and+ultrasound+for+drug+delivery+to+brain+tumors%3A+current+progress+and+overview%5BTitle%5D)+AND+%22Theranostics%22%5BJournal%5D)">Combining microbubbles and ultrasound for drug delivery to brain tumors: current progress and overview.</a> Theranostics. 4 (4), 432-444 (2014).</li>
<li>Lammertink, B. H. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sonochemotherapy%3A+from+bench+to+bedside%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Pharmacology%22%5BJournal%5D)">Sonochemotherapy: from bench to bedside.</a> Frontiers in Pharmacology. 6, 138(2015).</li>
<li>Lajoinie, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+methods+to+study+bubble-cell+interactions%3A+fundamentals+and+therapeutic+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">In vitro methods to study bubble-cell interactions: fundamentals and therapeutic applications.</a> Biomicrofluidics. 10, 011501(2016).</li>
<li>Van Wamel, A., Bouakaz, A., Versluis, M., de Jong, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micromanipulation+of+endothelial+cells%3A+ultrasound-microbubble-cell+interaction%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Micromanipulation of endothelial cells: ultrasound-microbubble-cell interaction.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 30, 1255-1258 (2004).</li>
<li>Tran, T. A., Roger, S., Le Guennec, J. Y., Tranquart, F., Bouakaz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+ultrasound-activated+microbubbles+on+the+cell+electrophysiological+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Effect of ultrasound-activated microbubbles on the cell electrophysiological properties.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 33, 158-163 (2007).</li>
<li>Marmottant, P., Hilgenfeldt, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+vesicle+deformation+and+lysis+by+single+oscillating+bubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Controlled vesicle deformation and lysis by single oscillating bubbles.</a> Nature. 423 (6936), 153-156 (2003).</li>
<li>Prentice, P. A., Cuschieri, K., Dholakia, K., Prausnitz, M., Campbell, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membrane+disruption+by+optically+controlled+microbubble+cavitation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Physics%22%5BJournal%5D)">Membrane disruption by optically controlled microbubble cavitation.</a> Nature Physics. 1, 107-110 (2005).</li>
<li>Kudo, N., Okada, K., Yamamoto, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sonoporation+by+single-shot+pulsed+ultrasound+with+microbubbles+adjacent+to+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Sonoporation by single-shot pulsed ultrasound with microbubbles adjacent to cells.</a> Biophysical Journal. 96, 4866-4876 (2009).</li>
<li>Novell, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+safety+index+based+on+intrapulse+monitoring+of+ultra-harmonic+cavitation+during+ultrasound-induced+blood-brain+barrier+opening+procedures%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">A new safety index based on intrapulse monitoring of ultra-harmonic cavitation during ultrasound-induced blood-brain barrier opening procedures.</a> Scientific Reports. 10, 10088(2020).</li>
<li>Cornu, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+monitoring+and+control+of+subharmonic+emissions+of+an+unseeded+bubble+cloud+during+pulsed+sonication%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics+Sonochemistry%22%5BJournal%5D)">Ultrafast monitoring and control of subharmonic emissions of an unseeded bubble cloud during pulsed sonication.</a> Ultrasonics Sonochemistry. 42, 697-703 (2018).</li>
<li>Reslan, L., Mestas, J. L., Herveau, S., Béra, J. C., Dumontet, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transfection+of+cells+in+suspension+by+ultrasound+cavitation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Controlled+Release%22%5BJournal%5D)">Transfection of cells in suspension by ultrasound cavitation.</a> Journal of Controlled Release. 142 (2), 251-258 (2010).</li>
<li>Reuter, F., Gonzalez-Avila, S. R., Mettin, R., Ohl, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+fields+and+vortex+dynamics+of+bubbles+collapsing+near+a+solid+boundary%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Fluids%22%5BJournal%5D)">Flow fields and vortex dynamics of bubbles collapsing near a solid boundary.</a> Physical Review Fluids. 2, 064202(2017).</li>
<li>Chew, L. W., Klaseboer, E., Ohl, S. W., Khoo, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interaction+of+two+differently+sized+oscillating+bubbles+in+a+free+field%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Interaction of two differently sized oscillating bubbles in a free field.</a> Physical Review E. 84, 066307(2011).</li>
<li>Doinikov, A. A., Bouakaz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic+microstreaming+around+a+gas+bubble%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+the+Acoustical+Society+of+America%22%5BJournal%5D)">Acoustic microstreaming around a gas bubble.</a> The Journal of the Acoustical Society of America. 127 (2), 703-709 (2010).</li>
<li>Tho, P., Manasseh, R., Ooi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cavitation+microstreaming+patterns+in+single+and+multiple+bubble+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Cavitation microstreaming patterns in single and multiple bubble systems.</a> Journal of Fluid Mechanics. 576, 191-233 (2007).</li>
<li>Van Wamel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vibrating+microbubbles+poking+individual+cells%3A+Drug+transfer+into+cells+via+sonoporation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Controlled+Release%22%5BJournal%5D)">Vibrating microbubbles poking individual cells: Drug transfer into cells via sonoporation.</a> Journal of Controlled Release. 112, 149-155 (2006).</li>
<li>Helfield, B., Chen, X., Watkins, S. C., Villanueva, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biophysical+insight+into+mechanisms+of+sonoporation%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Biophysical insight into mechanisms of sonoporation.</a> PNAS. 113 (36), 9983-9988 (2016).</li>
<li>Pereno, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Layered+acoustofluidic+resonators+for+the+simultaneous+optical+and+acoustic+characterization+of+cavitation+dynamics%2C+microstreaming%2C+and+biological+effects%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Layered acoustofluidic resonators for the simultaneous optical and acoustic characterization of cavitation dynamics, microstreaming, and biological effects.</a> Biomicrofluidics. 12, 034109(2018).</li>
<li>Shklyaev, S., Straube, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Linear+oscillations+of+a+compressible+hemispherical+bubble+on+a+solid+substrate%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Linear oscillations of a compressible hemispherical bubble on a solid substrate.</a> Physics of Fluids. 20, 052102(2008).</li>
<li>Fauconnier, M., Bera, J. C., Inserra, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonspherical+modes+non-degeneracy+of+a+tethered+bubble%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Nonspherical modes non-degeneracy of a tethered bubble.</a> Physical Review E. 102, 033108(2020).</li>
<li>Xi, X., Cegla, F., Mettin, R., Holsteyns, F., Lippert, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Study+of+non-spherical+bubble+oscillations+near+a+surface+in+a+weak+acoustic+standing+wave+field%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+the+Acoustical+Society+of+America%22%5BJournal%5D)">Study of non-spherical bubble oscillations near a surface in a weak acoustic standing wave field.</a> The Journal of the Acoustical Society of America. 135, 1731(2014).</li>
<li>Doinikov, A. A., Bouakaz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+a+distant+rigid+wall+on+microstreaming+generated+by+an+acoustically+driven+gas+bubble%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Effect of a distant rigid wall on microstreaming generated by an acoustically driven gas bubble.</a> Journal of Fluid Mechanics. 742, 425-445 (2014).</li>
<li>Cleve, S., Guédra, M., Inserra, C., Mauger, C., Blanc-Benon, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modes+with+controlled+axisymmetry+triggered+by+bubble+coalescence+in+a+high-amplitude+acoustic+field%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Surface modes with controlled axisymmetry triggered by bubble coalescence in a high-amplitude acoustic field.</a> Physical Review E. 98, 033115(2018).</li>
<li>Lamb, H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLamb%2C+H+%22Hydrodynamics.+6th+ed%22">Hydrodynamics. 6th ed</a>. , University Press. Cambridge. (1932).</li>
<li>Liu, Y., Wang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stability+and+natural+frequency+of+nonspherical+mode+of+an+encapsulated+microbubble+in+a+viscous+liquid%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Stability and natural frequency of nonspherical mode of an encapsulated microbubble in a viscous liquid.</a> Physics of Fluids. 28, 062102(2016).</li>
<li>Dollet, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonspherical+oscillations+of+ultrasound+contrast+agent+microbubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Nonspherical oscillations of ultrasound contrast agent microbubbles.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 34 (9), 1465-1473 (2008).</li>
<li>Versluis, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbubble+shape+oscillations+excited+through+ultrasonic+parametric+driving%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Microbubble shape oscillations excited through ultrasonic parametric driving.</a> Physical Review E. 82, 026321(2010).</li>
<li>Guédra, M., Cleve, S., Mauger, C., Blanc-Benon, P., Inserra, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+nonspherical+microbubble+oscillations+above+instability+threshold%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Dynamics of nonspherical microbubble oscillations above instability threshold.</a> Physical Review E. 96, 063104(2017).</li>
<li>Cleve, S., Guédra, M., Mauger, C., Inserra, C., Blanc-Benon, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microstreaming+induced+by+acoustically+trapped%2C+non-spherically+oscillating+microbubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Microstreaming induced by acoustically trapped, non-spherically oscillating microbubbles.</a> Journal of Fluid Mechanics. 875, 597-621 (2019).</li>
<li>Doinikov, A. A., Cleve, S., Regnault, G., Mauger, C., Inserra, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic+microstreaming+produced+by+nonspherical+oscillations+of+a+gas+bubble.+I.+Case+of+modes+0+and+m%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Acoustic microstreaming produced by nonspherical oscillations of a gas bubble. I. Case of modes 0 and m.</a> Physical Review E. 100, 033104(2019).</li>
<li>Inserra, C., Regnault, G., Cleve, S., Mauger, C., Doinikov, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic+microstreaming+produced+by+nonspherical+oscillations+of+a+gas+bubble.+III.+Case+of+self-interacting+modes+n-n%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Acoustic microstreaming produced by nonspherical oscillations of a gas bubble. III. Case of self-interacting modes n-n.</a> Physical Review E. 101, 013111(2020).</li>
<li>Prabowo, F., Ohl, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+oscillations+and+jetting+from+surface+attached+acoustic+driven+bubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics+Sonochemistry%22%5BJournal%5D)">Surface oscillations and jetting from surface attached acoustic driven bubbles.</a> Ultrasonics Sonochemistry. 18 (1), 431-435 (2011).</li>
<li>Garbin, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changes+in+microbubble+dynamics+near+a+boundary+revealed+by+combined%3B+optical+micromanipulation+and+high-speed+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Changes in microbubble dynamics near a boundary revealed by combined; optical micromanipulation and high-speed imaging.</a> Applied Physics Letters. 90, 114103(2007).</li>
<li>Collis, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cavitation+microstreaming+and+stress+fields+created+by+microbubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics%22%5BJournal%5D)">Cavitation microstreaming and stress fields created by microbubbles.</a> Ultrasonics. 50, 273-279 (2010).</li>
<li>Loughran, J., Eckersley, R. J., Tang, M. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+non-spherical+oscillations+and+stability+of+acoustically+driven+shelled+microbubbles%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+the+Acoustical+Society+of+America%22%5BJournal%5D)">Modeling non-spherical oscillations and stability of acoustically driven shelled microbubbles.</a> The Journal of the Acoustical Society of America. 131 (6), 4349-4357 (2012).</li>
<li>Vos, H. J., Dollet, B., Bosch, J. G., Versluis, M., de Jong, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonspherical+vibrations+of+microbubbles+in+contact+with+a+wall+-+a+pilot+study+at+low+mechanical+index%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Nonspherical vibrations of microbubbles in contact with a wall - a pilot study at low mechanical index.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 34 (4), 685-688 (2008).</li>
<li>Regnault, G., Mauger, C., Blanc-Benon, P., Inserra, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Secondary+radiation+force+between+two+closely+spaced+acoustic+bubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Secondary radiation force between two closely spaced acoustic bubbles.</a> Physical Review E. 102, 031101(2020).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

ההליך המוצג מורכב משימוש בהתלכדות בועות על מנת להפעיל תנודות בצורת בועה במצב יציב, מבוקר סימטריה, המאפשר לחקור את זרימת הנוזל לטווח ארוך המושרה על ידי תנודות אלה. האתגר העיקרי בטכניקה הוא שליטה בתנודות לא כדוריות עבור בועה שנלכדת, הרחק מכל גבולות.
רוב הטכניקות הקיימות המוצעות בספרות התמקדו בבועותהמחוברות למצע 7,16, שכן היעדר תנועה של מרכז הבועות מקל על לכידת הממשק שלו בסקאלת הזמן האקוסטית (עד מאות קילוהרץ). בעוד שחריגה מסף הלחץ הדרוש ל...

ברפואה, תרופה הניתנת חייבת לחדור מכשולים רבים במערכת החיים לפני שתגיע למטרות הרצויות. עם זאת, רוב התרופות מנוקות במהירות מזרם הדם. יעילות המיקוד נמוכה והם אינם יכולים לחצות בקלות את קרום התא, מה שמוביל לאספקת תרופות לא יעילה. כיום, השימוש במיקרו-בועות בשילוב עם אולטרסאונד הוצע כשיטה חדשנית להעברה לא פולשנית, מדויקת וממוקדת של תרופות וגנים לרקמות ותאים פתולוגיים1. בגישה זו, מיקרו-בועות יכולות למלא תפקיד כנשאיות שבהן תרופות חופשיות מוזרקות יחד עם תרחיף בועת גז או נטענות על פני השטח שלה. מיקרו-בועות יכולות לשמש גם כווקטור מקומי למיקוד מחדש של אנרגיית האולטרסאונד על מנת לקיים אינטראקציה עם התאים. בעיקרון, תחת חשיפה לאולטרסאונד, בועות נדחסות ומתרחבות ביציבות, משטר הנקרא קוויטציה יציבה המייצרת זרימות נוזלים ומכאן לחץ גזירה על עצמים קרובים. מיקרו-בועות עשויות גם להתנדנד באופן לא ליניארי ולהתרחב עד להתמוטטות, במשטר של קוויטציה אינרציאלית, ולייצר גלי הלם המתפשטים רדיאלית מאתר הקריסה2. הוכח כי קוויטציה, יציבה או אינרציאלית, משפרת את החדירות של קרום התא, ובכך מגבירה את הפנמת התרופות לתוך התא3.
ביישומים טיפוליים, הבנת מנגנון האינטראקציה בין תא הבועה חשובה מאוד, אך ישנם מספר חסמים, הן מהצד המדעי והן מהצד הטכני, המונעים מהידע שלנו להתקדם. ראשית, קשה מאוד ללכוד את הדינמיקה של תאים בתגובה לגירויים מכניים הנגרמים על ידי בועות4. בסקאלת הזמן האקוסטית, תנודות המיקרו-בועות מסדר ראשון יכולות להוביל להפעלה של תעלות ממברנה, מה שמקל על מעבר מולקולרי בין ממשקים ביולוגיים. זה קורה באמצעות תנודה ישירה של קרום התא, המכונה גם "עיסוי תאי"5. הפעלת תעלה בעקבות לחץ מכני ישיר הודגמה באמצעות טכניקות מהדק טלאי שמדדו תכונות אלקטרופיזיולוגיות של קרום התא במהלך ואחרי חשיפה לאולטרסאונד6. מדידת דינמיקה תאית הנגרמת על ידי בועות (כלומר שדה העיוות המלא של קרום התא) בסקאלת הזמן האקוסטית, תספק גם תובנות לגבי סף התרחבות שטח הממברנה Δ A/A הנדרש כדי לגרום לנקבוביות לתוך קרום התא7. המחסום השני הוא שליטה במשטר הבועות הקורסות כדי למנוע ליזה של תאים הנגרמת על ידי מיקרו-בועות. קריסת בועות ומיקרו-סילונים מושרים זוהו כמנגנון שבאמצעותו מתרחש ניקוב הממברנה 8,9. לאחר החדירה, קרום התא מתקן באמצעות איטום עצמי של סידן של שתי שכבות השומנים ואיחוי של שלפוחיות תוך תאיות9. התרחשות של קריסת בועות עלולה גם לגרום לנזקים קטלניים לתא ולגרום לתופעות לוואי מיותרות בתאים הסובבים אותו. ביישומים רגישים כגון פתיחת מחסום דם-מוח בתיווך אולטרסאונד, מקובל כי יש להימנע מקריסת בועות אינרציאליות10.
לכן, מאמצים אדירים מוקדשים כיום לתכנון רצפי פליטת אולטרסאונד, יחד עם ניטור ובקרה פסיביים של קוויטציה, על מנת להבטיח תנודות יציבות של מיקרו-בועות11. במשטר יציב זה, הועלתה השערה כי בועות מתנדנדות ביציבות ממלאות תפקיד חזק בהפעלת חדירת הממברנה על ידי קידום לחץ גזירה ממוקד מרחבית על קרום התא7. עקת הגזירה נובעת מזרימות הנוזל הנוצרות בקרבת הבועות המתנדנדות. זרימות נוזליות אלה נקראות מיקרו-זרם קוויטציה, וכפי שהוזכר לעיל, הן אחד מכמה מנגנונים אפשריים האחראים לספיגה מוגברת של מולקולות חוץ-תאיות. כאשר מתמודדים עם השעיה של בועות או תאים כגון טרנספקציות ביולוגיות במבחנה12, חלחול על ידי מיקרו-סטרימינג עשוי להיות יעיל הרבה יותר מאשר חלחול על ידי קריסת בועות. ניתן להראות זאת על ידי שיקול גיאומטרי פשוט. בתרחיפים של תאים, סונופורציה תהיה יעילה אם רוב התאים המרחפים מוגשים להשפעות מכניות גדולות מספיק (מה שמוביל לחדירות הממברנה). ידוע שקריסת בועות מכוונות לכיוון שבירת הסימטריה האיזוטרופית, כגון ציר קיר הבועה13 או קו הבועה-בועה וקו תאי הבועה המתחברים למרכז המסה14 שלהם. המיקרו-סילון המיוצר הוא אפוא תופעה מרחבית-מקומית לאורך מספר סופי של קווים המצטרפים למרכזי התא והבועות. בהתאם לריכוז התא והבועה, כמו גם למרחק תא הבועה, השפעה זו עשויה שלא להיות היעילה ביותר לחדור את כל מספר התאים המרחפים . לעומת זאת, מיקרו-סטרימינג קוויטציה הוא תופעה המתרחשת בסקאלת זמן איטית, עם התרחבות מרחבית גדולה בהשוואה לרדיוס הבועה. כמו כן, זרימת הנוזל מפוזרת סביב הבועה, ולכן עשויה להשפיע על מספר גדול יותר של תאים, בטווח ארוך מאוד. לכן, הבנת המיקרו-זרימה של הקוויטציה הנוצרת סביב בועה מתנדנדת היא תנאי מוקדם לשליטה וכימות של עקה גזירה הנגרמת על ידי בועה המופעלת על תאים.
כדי לעשות זאת, שלב מקדים מורכב משליטה בתנודות הכדוריות והלא כדוריות של בועה מונעת אולטרסאונד, שכן זרימות הנוזל הנוצרות מושרות על ידי תנועת ממשק הבועות15,16. בפרט, תנודות צורה של מיקרו-בועות צריכות להיות מופעלות ולשמור על יציבות. יתר על כן, יש לשלוט בכיוון תנודות צורת הבועה כדי לנתח כראוי את המתאם בין דינמיקת ממשק הבועות לבין תבנית המיקרו-זרימה המושרה. כאשר מסכמים את הספרות הקיימת, ברור כי תוצאות ניסוי מפורטות של מיקרו-סטרימינג המושרה על ידי קוויטציה זמינות רק עבור בועות המחוברות למשטח. מיקרו-בועות המחוברות לקיר משמשות בדרך כלל להערכת דינמיקת ממשק מדויקת ואינטראקציות תאים בקנה מידה מיקרומטרי תחת מערכת מיקרוסקופיה מהירה במיוחד. תצורה זו רלוונטית מבחינה טיפולית כאשר בוחנים מיקרו-בועות רוטטות הממוקמות על קרום התא17,18,19. עם זאת, המחקר של בועה המחוברת למצע עשוי להפוך את ניתוח דינמיקת הבועות למסובך יותר, בין היתר בשל האופי המורכב של דינמיקת קו מגע20, והפעלת מצבי צורה אסימטריים21. ביישומים רפואיים וביולוגיים, בועות שאינן מחוברות לקיר נמצאות בדרך כלל בגאומטריות סגורות כגון כלי דם קטנים. זה משפיע באופן משמעותי על דינמיקת הבועות ועל חוסר יציבות בצורה. בפרט, נוכחותו של קיר סמוך מזיזה את סף הלחץ עבור מצב צורה ומפעילה ערכי לחץ נמוכים יותר בהתאם למספר מצב הצורה ולגודל הבועה22. הקיר משפיע גם על המיקרו-סטרימינג המושרה על ידי בועות עם עוצמה גבוהה יותר עבור הזרימה המיוצרת23.
בין כל התרחישים האפשריים שמיקרו-בועות עשויות לחוות (חופשיות או מחוברות, קרובות לקיר, קורסות או מתנדנדות ביציבות), אנו מציעים לחקור את הדינמיקה הלא-כדורית של בועה בודדת הרחוקה מכל גבול. מערך הניסוי מבוסס על מערכת ריחוף אקוסטי24 שבה נעשה שימוש בגל אולטרסאונד עומד כדי ללכוד את הבועה. תרחיש זה עולה בקנה אחד עם יישומים רפואיים שבהם אוסף של בועות ותאים מרחפים מתקיימים יחד בתא סונוטרנספקציה, למשל. ככל שבועות ותאים אינם קרובים מדי, ההנחה היא כי נוכחותו של תא אינה משפיעה על הדינמיקה של ממשק הבועה. כאשר תאים עוקבים אחר המסלולים דמויי הלולאה של המיקרו-זרם המושרה על ידי קוויטציה, הם מתקרבים באופן מחזורי ודוחים את מיקום הבועה, ואנו יכולים להניח שנוכחות התא אינה משפיעה על תבנית הזרימה או על מהירותה הממוצעת. בנוסף, דינמיקה לא כדורית ומיקרו-זרם מושרה מבועות בודדות הרחוקות מהגבול ידועות היטב מנקודת מבט תיאורטית. על מנת לקשר את זרימת הנוזל המושרה על ידי הבועה לדינמיקה של קווי המתאר של הבועה, נדרש לאפיין במדויק את דינמיקת ממשק הבועות. לשם כך, עדיף להתאים את קנה המידה המרחבי-זמני במחקרים ניסיוניים ביחס לאלה המשמשים בטיפולים, כך שרכישה עם מצלמות מהירות נפוצות (מתחת למיליון פריימים לשנייה) תתאפשר באמצעות בועות גדולות המעוררות בתדרים נמוכים יותר. כאשר בוחנים בועות לא מצופות, התדירות העצמית ω n של מצב נתון n קשורה לגודל הבועה כ-25<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62044/62044eq1.jpg">. יחס רדיוס-תדר עצמי זה משתנה מעט כאשר בוחנים בועות פגזיות26, אך סדר הגודל של התדר העצמי ωn נשאר זהה. לפיכך, חקירת בועות עם רדיוסי שיווי משקל ~50μm בשדה אולטרסאונד של 30 קילוהרץ דומה לחקר בועות מצופות של רדיוסים ~3μm בשדה של 1.7 MHz, כפי שהוצע על ידי Dollet et al.27. לכן צפויים מספרי מצב צורה דומים ולכן דפוסי מיקרו-סטרימינג.
כדי להפעיל תנודות לא כדוריות של ממשק הבועות, יש צורך לעבור סף לחץ מסוים שהוא תלוי רדיוס, כפי שמוצג באיור 1. טכניקות ניסוי קיימות מסתמכות על עליית הלחץ האקוסטי כדי להפעיל מצבי משטח (מודגמת על-ידי נתיב (1) באיור 1), על-ידי עליית לחץ שלב אחר שלב28 או על-ידי עירור משרעת מווסתת האחראי להתחלה מחזורית ולהכחדה של מצבי משטח29. החסרונות העיקריים של טכניקות אלה הם: (i) כיוון אקראי של ציר הסימטריה של תנודות פני השטח שלא ניתן לשלוט בהן כדי להיות במישור ההדמיה, (ii) משך חיים קצר של תנודות צורת הבועה המקשות על ניתוח זרימות הנוזל המושרות בסקאלות זמן גדולות יותר, ו-(iii) הפעלה תכופה של מצבי צורה לא יציבים. אנו מציעים טכניקה חלופית לחציית סף הלחץ בלחץ אקוסטי קבוע במפת הרדיוס/לחץ, כפי שמודגם בנתיב (2) באיור 1. לשם כך נדרש להגדיל את גודל הבועה כך שתהיה באזור חוסר היציבות. עלייה כזו מבוצעת על ידי טכניקת התלכדות בועה. ההתלכדות של שתי מיקרו-בועות, שבתחילה מתנודדות כדורית, מנוצלת ליצירת בועה מעוותת אחת. אם הלחץ האקוסטי וגודל הבועה של הבועה המתמזגת נמצאים באזור חוסר היציבות, מופעלים מצבי משטח. כמו כן, הראינו כי טכניקת ההתלכדות גורמת לתנודות צורה יציבות במשטר מצב יציב, כמו גם ציר סימטריה מבוקר המוגדר על ידי התנועה הישרית של שתי הבועות המתקרבות. מכיוון שתנודת צורה יציבה מובטחת במשך דקות, ניתוח זרימת נוזל הנגרמת על ידי בועה אפשרי על ידי זריעת התווך הנוזלי עם מיקרו-חלקיקים פלואורסצנטיים, מוארים על ידי יריעת לייזר דקה. רישום התנועה של המיקרו-חלקיקים המוצקים בקרבת ממשק הבועות מאפשר לזהות את תבנית זרימת הנוזל המושרה30. העיקרון הכולל של הפעלת תנודות בצורת בועה, המובילות לזרימת נוזל יציבה בזמן, מומחש באיור 2.
בפרוטוקול הבא, אנו מתארים את השלבים הדרושים ליצירת תנודות יציבות בצורת בועה באמצעות טכניקת ההתלכדות ומתארים את המדידות של זרימת הנוזל. זה כולל את העיצוב של מערכת הריחוף האקוסטי, הכיול האקוסטי, נוקלציית בועות וטכניקת ההתלכדות, מדידת דינמיקת ממשק הבועות וזרימת הנוזל שמסביב, ועיבוד התמונה.

<table><tbody><tr><td>עדשה אספרית</td><td>Thorlabs</td><td>AL4050</td><td>עדשת פוקוס 40 מ"מ</td></tr><tr><td>מקור לייזר גל רציף</td><td>CNI</td><td>MLL6FN</td><td>לייזר DPSS באורך גל 532 ננומטר, אנרגיה 400 mW</td></tr><tr><td>עדשה גלילית פלנו-קעורה</td><td>Thorlabs</td><td>LJ1277L1-A</td><td>עדשת פוקוס -25?4 מ"מ</td></tr><tr><td>עדשה גלילית פלנו-קעורה עדשת</td> מיקוד <td>Thorlabs</td><td>LK1900L1</td><td>עדשת פוקוס 250 מ"מ</td></tr><tr><td>חלקיקים פלואורסצנטיים</td><td>Duke Scientific</td><td>R700</td><td>מיקרוספירות פלואורסצנטיות פולימר אדום</td></tr><tr><td>מחולל פונקציות</td><td>Agilent</td><td>HP33120</td><td>מחולל פונקציה הזנת מתמר האולטרסאונד</td></tr><tr><td>מצלמה מהירה</td><td>Vision Research</td><td>Phantom v12.0</td><td>הקלטה במהירות גבוהה עד 1 Mfps</td></tr><tr><td>מדיום נוזלי</td><td>קרלו ארבה</td><td>מים לניתוח</td><td>מים דה-מינרליים, לא מורכבים</td></tr><tr><td>תוכנת מולטיפיזיקה</td><td>Comsol</td><td>None</td><td>Softwate להדמיית השדה האקוסטי של תא הריחוף</td></tr><tr><td>Nd:Yag לייזר פועם</td><td>מחקר גל חדש</td><td>Solo III-15</td><td>5 ns משך פולס, &lambda;=532 ננומטר, קוטר קרן 3.5 מ"מ, עד 50 mJ</td></tr><tr><td>עדשה פלנו-קעורה</td><td>Thorlabs</td><td>N-BK7</td><td>עדשת פוקוס 125 מ"מ</td></tr><tr><td>עדשה קעורה כדורית</td><td>Thorlabs</td><td>N-SF11</td><td>עדשת פוקוס דו-קעורה -25 מ"מ</td></tr><tr><td>מתמר אולטרסאונד</td><td>SinapTec</td><td>תדר נומינלי בהתאמה אישית 31kHz, אזור פעיל בקוטר 35 מ"מ</td><td></td></tr><tr><td>תוכנת הדמיה</td><td>NIH</td><td>ImageJ</td><td>לעיבוד וניתוח תמונה ב-Java</td></tr><tr><td>XY שלב ליניארי</td><td>ניופורט</td><td>M-406</td><td>שלב תזוזה עם בורג מיקרומטרי</td></tr><tr><td>שלב ליניארי ציר Z</td><td>אופטיקה אדמונד</td><td>62-299</td><td>שלב תזוזה אנכית עם בורג מיקרומטרי</td></tr></tbody></table>

השראת מיקרו-סטרימינג על ידי תנודות בועות לא כדוריות במערכת ריחוף אקוסטית

Induction of Microstreaming by Nonspherical Bubble Oscillations in an Acoustic Levitation System

כאשר הן ממוקמות ליד מחסומים ביולוגיים, מיקרו-בועות מתנדנדות עשויות להגביר את חדירות קרום התא, ולאפשר הפנמה של תרופות וגנים. תצפיות ניסיוניות מצביעות על כך שהחדירות הזמנית של מחסומים אלה עשויה לנבוע מלחץ גזירה המופעל על רקמות התא על ידי מיקרו-זרם קוויטציה. מיקרו-סטרימינג קביטציה הוא יצירה של זרמי מערבולות המתעוררים סביב מיקרו-בועות אולטרסאונד מתנדנדות. כדי לייצר זרימות נוזליות כאלה, תנודות הבועות חייבות לסטות מתנודות כדוריות גרידא ולכלול חוסר יציבות תרגומית או מצבי צורה. מחקרים ניסיוניים של זרימות המושרות על ידי בועות ולחץ גזירה על משטחים סמוכים מוגבלים לעתים קרובות בהיקפם בשל הקושי ללכוד עיוותים צורניים של מיקרו-בועות באופן יציב וניתן לשליטה. אנו מתארים תכנון של תא ריחוף אקוסטי לחקר תנודות לא כדוריות מבוקרות סימטריה. בקרה כזו מתבצעת באמצעות טכניקת התלכדות בין שתי בועות מתקרבות בשדה אולטרסאונד אינטנסיבי מספיק. השליטה בתנודות לא כדוריות פותחת את הדרך למיקרו-סטרימינג מבוקר של מיקרו-בועות חופשיות המתנדנדות על פני השטח. מצלמות בקצב פריימים גבוה מאפשרות לחקור בו זמנית את דינמיקת הבועות הלא כדוריות בסקאלת הזמן האקוסטית ואת זרימת הנוזל בסקאלת זמן נמוכה יותר. ניתן לראות כי ניתן להשיג מגוון רחב של דפוסי נוזלים וכי הם מתואמים עם התוכן המודאלי של ממשק הבועה. אנו מראים שאפילו מצבי צורה מסדר גבוה יכולים ליצור תבניות נוזל למרחקים גדולים אם דינמיקת הממשק מכילה מספר מצבים, המדגישים את הפוטנציאל של תנודות לא כדוריות לאספקת תרופות ממוקדת ומקומית.

רצף שלם של התלכדות בועות המוביל לתנודות לא-כדוריות יציבות בזמן ומבוקרות סימטריה מוצג באיור 9. השלב המתקרב של שתי בועות מתנדנדות כדורית מסתיים כאשר הסרט הנוזלי הדק בין שתי הבועות נקרע. ראוי לציין כי בשלב האחרון לפני ההתמזגות, ממשקי הבועה חורגים מהספיריות. שתי הבועות מתארכות בצורה אליפסואידית לאורך נתיב התנועה הישר של ההתקרבות. לאחר רגע ההתמזגות נשארת בועה בודדת המציגה תנודות לא כדוריות בעלות צורה מורכבת במהלך מספר תקופות אקוסטיות. זה מתאים למשטר חולף של תנודות...

טכניקה מהירה ואמינה מוצעת לשליטה בתנודות הצורה של בועה אקוסטית אחת לכודה המבוססת על טכניקת התלכדות בין שתי בועות. תנודות צורת הבועה במצב יציב ומבוקרות סימטריה מאפשרות ניתוח של זרימת הנוזל הנוצרת בקרבת ממשק הבועות.

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. ...

ההבנה של פעולות מכניות המושרות על ידי בועות היא חיונית ביישומים הנדסיים וטיפוליים רבים. שליטה בתנודות הבועות ובזרימות המושרות בסביבה היא עדיין משימה מאתגרת. הטכניקות המוצעות מאפשרות לשלוט בתנודת הצורה של בועה בודדת הכלואה בלווחוף אקוסטי.לאחר מכן מדמיינים את הזרמים המושרים ומתואמים עם דינמיקת הבועות. אסטל מזינאי, סטודנטית מהמעבדה ליישום טיפולי של אולטרסאונד תדגים את ההליך. התחל ביצירת בועות על ידי הצבת מיכל המים של המתנד כך שנקודת מיקוד של הלייזר ממוקמת בתוך מיכל המים מה שמוביל ליצירת ניצוץ לכל פולס לייזר של 5 עד 10 מיליג'ול.הפעל את מתמר האולטרסאונד והגדל את המתח המופעל עד שהבועות כבר לא עולות אנכית, אלא סוטות לכיוון צומת הלחץ ונלכדות. הגדר את התאורה האחורית לדיודה פולטת האור הרציפה ובחר את המצלמה במהירות גבוהה כדי לאפשר תצפית על הבועה הלכודה. כדי ללכוד בועה וללכוד את התנודות הרדיאליות שלה, הגדר את גודל המסגרת ל- 128 על 128 פיקסלים ואת קצב הרכישה ל- 180 קילוהרץ.רשום את התנודות הרדיאליות של הבועות מ- 3 עד 30 אלפיות השנייה תחת מתחי מתמר מופעלים הולכים וגדלים מ- 0 ל- 8 וולט. לאחר ההקלטה האחרונה, כבה את מתמר האולטרסאונד וצלם תמונה אחת של הרקע לניתוח שלאחר הניתוח. לעיבוד שלאחר סדרת הסרטונים, הפעל את VoltagePressure.קובץ exe. ציין את הפרמטרים הפיזיים והניסיוניים ואת ערכי המתח המופעל עבור סדרת ההקלטות. בחלונית ניתוח רדיוס הבועות, לחצו על פרמטרי טעינה ובחרו בתיקייה הכוללת את כל קובצי סדרות הווידאו ותמונות הרקע.עבור כל קובץ וידאו, האבולוציה של רדיוס הבועה תשורטט על פני תקופה אקוסטית אחת והתאמה מספרית תונח. לאחר שכל הסרטונים עובדו, לחץ על רגרסיה ליניארית כדי לבצע התאמה ליניארית של עקומת מתח הלחץ. הנתונים יישמרו בקובץ txt בספרייה הנוכחית.כדי לגרום להתגבשות בועות, הפעל את מתמר האולטרסאונד והגדר את המתח המופעל גבוה מספיק כך שהלחץ האקוסטי המתאים עלול לגרום לאי יציבות פני השטח, גרעין בועה שתעבור לאחר מכן למקום הלכידה שלה. כאשר בועה לכודה מציגה תנודות כדוריות בלבד, נוצר ניצוץ לייזר חדש. כאשר הבועה החדשה מגיעה למקום ההשמנה, מתרחשת התלכדות אם הבועה המתמזגת מציגה תנודות כדוריות בלבד לאחר הניצוץ, צור בועה חדשה.אך שימו לב שייתכן שיהיה צורך בהתלכדות מרובה כדי להגיע לרדיוס שבו מתרחשים עיוותים לא כדוריים. ברגע שהבועה המתלכדת מציגה תנודות לא כדוריות, רשום את תנודות הבועה במשך כ-3 עד 30 אלפיות השנייה והשתמש באיור כדי לזהות את מספר המצב של תנודות הצורה של הבועה. כדי לבצע מדידות זרימת נוזלים, הגדר את קצב המסגרות ל- 180 קילוהרץ, את גודל המסגרת ל- 128 על 128 פיקסלים ואת זמן החשיפה למיקרו-שנייה אחת כדי להקליט את הדינמיקה של ממשק הבועות.כדי להקליט את תנועת עוקבי הצבע, הגדר את גודל המסגרת ל- 1024 על 768 פיקסלים, את קצב המסגרות ל- 600 הרץ ואת זמן החשיפה לאלפית שנייה אחת. כוונן את מיקום יריעת הלייזר כך שהחלקיקים המוארים יהיו גלויים למצלמה וגרעין ולכוד בועה כפי שהודגם בה. התאימו עוד יותר את מיקום יריעת הלייזר כך שצל ייראה מאחורי הבועה ויגרמו להתגבשות הבועות עד להופעת מצב צורה מתנודד יציב.לאחר מכן לרכוש כמה הקלטות, לעבור בין דינמיקה בועה מיקרו הזרמה. לעיבוד וניתוח תמונה, ייבאו את קובץ cine הכולל את תנועת החלקיקים שנלכדו לתמונה J ולחצו על תמונה, התאמה, בהירות, ניגודיות ואוטומטי. תמונה ממוטבת אוטומטית תחליף את הרקע הכהה.להצגת דוגמת המילוי שנוצרה, לחצו על הפרוייקט 'תמונה', 'אוספים' ו'Z', ובחרו באפשרות 'עוצמה מרבית' להקרנת התמונה. תוצג תמונת פלט עם פיקסלים הכוללים את הערך המרבי על כל התמונות בערימה. מוצג כאן רצף שלם של התלכדות בועות המוביל לסימטריה יציבה בזמן הנשלטת על תנודות לא כדוריות שניתן לצפות בהן.השלב המתקרב של שתי בועות מתנדנדות כדוריות מסתיים כאשר הסרט הנוזלי הדק בין שתי הבועות נקרע. לאחר רגע ההתמזגות נשארת בועה בודדת המציגה תנודות לא כדוריות בעלות צורה מורכבת, המתאימה למשטר התנודות הארעי בעקבות עירור של כל מערכת דינמית. לאחר תריסר עד 100 תקופות אקוסטיות, צורות התנודה מתייצבות למצב תנודה יציב.ברגע שבועה נלכדת ומציגה תנודות צורה יציבות, ניתן ללכוד את תנועת העוקבים הפלואורסצנטיים בסביבת הבועה. כאשר מתרחשות תנודות צורה, נוצרת תנועה נוזלית בקרבת ממשק הבועות. הקלטה חלופית של הדינמיקה של ממשק הבועות בסקאלת הזמן האקוסטית ושל תנועת החלקיקים בסקאלת זמן נמוכה יותר מאפשרת התאמה של תבנית המיקרו סטרימינג למספר מצב צורה נתון.אם הדינמיקה של ממשק הבועות מכילה מצבים משלימים, ניתן לשנות באופן משמעותי את זרימת המיקרו בשל האינטראקציות המרובות בין המצבים שייצרו דפוסים ספציפיים. כדי לשייך בבטחה את תבנית הזרימה להרגעה של צורה נתונה, זכרו שיש צורך ללכוד לחילופין את דינמיקת הבועות ואת תנועת הזרימה. לממצאים אלה עשוי להיות שימוש מעשי ביישומים נוירופתיים כגון מתן תרופות מתווכות טרנספורמציה.ואכן, ידוע כי בועות אקוסטיות מפעילות לחצים המושרים על קרום התא ומובילים לחלחירתם.

induction-microstreaming-nonspherical-bubble-oscillations-an-acoustic

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

בסרטון זה אנו מתארים ראשון ייצור ותפעול הליכים של גל אקוסטי פני השטח (SAW) מכשיר נגדי אקוסטי. לאחר מכן, אנו מדגימים התקנה ניסיונית שמאפשרת לשניהם להדמיה איכותית זרימה וניתוח כמותי של תזרים מורכב בתוך מכשיר השאיבה ראה.

ייצור, תפעול ויזואליזציה זרימה במיקרופלואידיקה אקוסטית-נגדית Surface--מונע גל אקוסטי

cavitation אקוסטי בנוזלים שהוגשו לאולטרסאונד הכוח יוצר תנאים חולפים קיצוניים בתוך בועות קורסת, אשר הם המקור יוצאת דופן פליטת תגובה כימית והאור, המכונה sonoluminescence. בנוכחותם של גזים אצילים, הפלזמה nonequilibrium נוצר. החלקיקים "החמים" וגם לפוטונים שנוצרו על ידי קריסת בועות מסוגלים לרגש מינים בתמיסה.

הפעלת מולקולות, יונים, וחלקיקים מוצקים עם אקוסטית Cavitation

פרוטוקול זה מתאר ארכיטקטורת מערכת לביצוע הפרדות חלקיקים אוטומטיות בנפח קטן (0.15-1.5 מ"ל) באמצעות מכשיר מיקרופלואידי, ודן בשיטות לייעול הביצועים והתפעול של מכשיר אקוסטופלואידי.

פלטפורמת microfluidic לעיבוד מדגם Precision הקטן-נפח ושימוש בו לגודל חלקיקים הביולוגיים נפרדים עם Microdevice אקוסטי

התקנים Acoustofluidic שימוש בגלי אולטראסאונד בתוך ערוצי microfluidic לתמרן, להתרכז ולבודד מיקרו מושעה וגופים הננוסקופי. פרוטוקול זה מתאר את הייצור ותפעול של מכשיר כזה התומך גלים עומדים אקוסטי בתפזורת להתמקד חלקיקים לייעל מרכזי ללא סיוע של נוזלי נדן.

ייצור והפעלה של Acoustofluidic התקנים התומכים גלים אקוסטיים המתמדת בכמות גדולה עבור Sheathless התמקדות של חלקיקים

שבב מיקרופלואידי יוצר כדי לייצר זוגות של נקודות זהב ליצירת בועות טנדם ואיים מצופים פיברונקטין לדפוס תא בודד בקרבת מקום. שדה הזרימה שנוצר התאפיין במהירות תמונת חלקיקים ושימש לחקר השפעות ביולוגיות שונות, כולל נקבוביות קרום התא, עיוות ממברנה ותגובת סידן תוך תאית.

מערכת Microfluidic עם דפוסי Surface לחקירת בועת Cavitation (ים) אינטראקציה דו תא ואת Bioeffects הנובע מהן ברמת התא הבודד

שיטה אנלוגי השפעול נגיש עבור לימוד תהליכי hydrodynamic מולקולרית צפופה נוזלים מוצג. הטכניקה משתמשת חלקיקים velocimetry תמונה של ערימות התבואה זז, גבוהה-פיצוי ומאפשר תצפית ישירה, מאקרוסקופית של תהליכים דינמיות ידוע והוא ניבא קיימת אינטראקציה חזקה, גבוהה צפיפות גזים ונוזלים.

טכניקת מאקרוסקופית אנלוגי לימוד תהליכי Hydrodynamic מולקולרית צפופה גזים ונוזלים

פרוטוקול מניפולציות של microparticles בערוץ microfluidic עם עירור כפול-תדירות מוצג.

Microparticle מניפולציה על ידי עמידה גלי אקוסטית המשטח עם כפול בתדר Excitations

אנו מדגימים הייצור של ערוצי ננו-גובה עם שילוב של התקנים משטח אקוסטית גל התקן על ליתיום niobate אקוסטית עבור nanofluidics המראה באמצעות פוטוגרפיה, ננו-עומק בחריטה על האור, ו-טמפרטורת החדר פלזמה הפעלה מרובת שכבות של משטח של ליתיום niobate חד-גביש, תהליך שימושי באופן דומה כדי מליטה ליתיום niobate תחמוצות.

הייצור של ערוצי ננו גובה שילוב הופעה גל אקוסטי המשטח באמצעות ליתיום Niobate אקוסטית הננו לוקדיה

ייצור של התמרה במצב עובי פיזואלקטריים באמצעות התזה הנוכחי ישיר של אלקטרודות צלחת על ליתיום niobate מתואר. בנוסף, הפעולה המהימנה מושגת עם בעל מתמר ומערכת אספקת נוזלים ואפיון מומחש באמצעות ניתוח עכבה, דופלר לייזר וויברמטריה, הדמיה במהירות גבוהה, ו-droplet גודל התפלגות באמצעות פיזור לייזר.

ייצור ואפיון של מכשירי פיזואלקטריים במצב עובי לאטוביזציה

הפרוטוקולים המוצגים יכולים לשמש כדי לאפיין את התגובה של microbubbles תווית פלואורסצנטית המיועדים ליישומי משלוח תרופות המופעלות על ידי אולטרסאונד, כולל מנגנוני ההפעלה שלהם, כמו גם bioeffects שלהם. נייר זה מכסה מגוון של טכניקות מיקרוסקופיה במבחנה ו - in vivo המבוצעות כדי ללכוד את האורך ואת לוחות הזמנים הרלוונטיים.

שיטות מיקרוסקופיה מרובות זמן לאפיון של Microbubbles פלואורסצנטרית שכותרתו לשחרור תרופות מופעלות אולטרסאונד

הפרוטוקול מדגים שיטה נוחה להפקת זרימה מתנדתית הרמונית מ-10-1000 הרץ במיקרו-ערוצים. זה נעשה על ידי התממשקות דיאפרגמה רמקול מבוקרת מחשב למיקרו-ערוץ באופן מודולרי.

הרכבה ואפיון של דרייבר חיצוני ליצירת זרימה תנודתית תת-קילוהרץ במיקרו-ערוצים

חקור אוסצילציות לא כדוריות של בועות מיקרו במערכת ריחוף אקוסטית. השיטה מאפשרת שליטה בזרימות מיקרו וקורלציה בין דינמיקת הבועה לדפוסי הזרימה, עם יישומים פוטנציאליים למסירת תרופות ממוקדת.

השראת מיקרו-סטרימינג על ידי תנודות בועות לא כדוריות במערכת ריחוף אקוסטית

גלה סרטונים נוספים