Induzione del microstreaming mediante oscillazioni di bolle non sferiche in un sistema di levitazione acustica

La comprensione delle azioni meccaniche indotte dalle bolle è fondamentale in molte applicazioni ingegneristiche e terapeutiche. Controllare le oscillazioni delle bolle e i flussi indotti nelle vicinanze è ancora un compito impegnativo. Le tecniche proposte permettono di controllare l'oscillazione della forma di una singola bolla intrappolata in un levitatore acustico.

I flussi indotti vengono quindi visualizzati e correlati alla dinamica della bolla. Estelle Mezianai, una studentessa del Laboratorio di Applicazione Terapeutica degli Ultrasuoni, dimostrerà la procedura. Inizia con la generazione di bolle posizionando il serbatoio dell'acqua dell'oscillatore in modo tale che un punto di messa a fuoco del laser si trovi all'interno del serbatoio dell'acqua portando alla generazione di scintille per ogni impulso laser da 5 a 10 millijoule.

Accendere il trasduttore ad ultrasuoni e aumentare la tensione applicata fino a quando le bolle non salgono più verticalmente, ma deviano verso l'antinodo di pressione e rimangono intrappolate. Impostare l'illuminazione retroilluminata sul diodo a emissione luminosa continua e selezionare la telecamera ad alta velocità per consentire l'osservazione della bolla intrappolata. Per intrappolare una bolla e catturarne le oscillazioni radiali, impostate le dimensioni del fotogramma su 128 x 128 pixel e la velocità di acquisizione su 180 kilohertz.

Registrare le oscillazioni radiali della bolla da 3 a 30 millisecondi in condizioni di tensione del trasduttore applicate crescenti da 0 a 8 volt. Dopo l'ultima registrazione, spegnere il trasduttore a ultrasuoni e acquisire un'immagine dello sfondo per la post-analisi. Per la post-elaborazione della serie di video, eseguire VoltagePressure.

exe. Specificare i parametri fisici e sperimentali e i valori della tensione applicata per la serie di registrazioni. Nel pannello Analisi del raggio della bolla, fate clic su Carica parametri e selezionate la cartella contenente tutte le serie video e i file di immagine di sfondo.

Per ogni file video, l'evoluzione del raggio della bolla verrà tracciata su un periodo acustico e verrà sovrapposto un adattamento numerico. Quando tutti i video sono stati elaborati, fare clic su regressione lineare per eseguire un adattamento lineare della curva di tensione di pressione. I dati verranno salvati in un file txt all'interno della directory corrente.

Per indurre la coalescenza delle bolle, accendere il trasduttore ad ultrasuoni e impostare la tensione applicata abbastanza alta in modo che la pressione acustica corrispondente possa innescare l'instabilità superficiale, nucleare una bolla che migrerà quindi nella sua posizione di intrappolamento. Quando una bolla intrappolata mostra solo oscillazioni sferiche, genera una nuova scintilla laser. Quando la nuova bolla raggiunge la posizione di intrappolamento, si verifica la coalescenza Se la bolla coalescente mostra solo oscillazioni sferiche dopo la scintilla, generare una nuova bolla.

Ma si noti che possono essere necessarie coalescenze multiple per raggiungere il raggio in cui si verificano deformazioni non sferiche. Una volta che la bolla coalescente mostra oscillazioni non sferiche, registrare le oscillazioni della bolla per circa 3-30 millisecondi e utilizzare la figura per identificare il numero di modalità delle oscillazioni di forma della bolla. Per eseguire misurazioni del flusso del fluido, impostare la frequenza dei fotogrammi su 180 kilohertz, la dimensione del fotogramma su 128 x 128 pixel e il tempo di esposizione su 1 microsecondo per registrare la dinamica dell'interfaccia a bolle.

Per registrare il movimento dei traccianti di colorante, impostate le dimensioni del fotogramma su 1024 per 768 pixel, la frequenza fotogrammi su 600 hertz e il tempo di esposizione su 1 millisecondo. Regolare la posizione del foglio laser in modo che le particelle illuminate siano visibili alla fotocamera e nucleare e intrappolare una bolla come dimostrato. Regolare ulteriormente la posizione del foglio laser in modo che un'ombra diventi visibile dietro la bolla e indurre la coalescenza delle bolle fino a quando non è evidente una modalità di forma stabilmente oscillante.

Quindi acquisire diverse registrazioni, passando dalla dinamica della bolla al micro streaming. Per l'elaborazione e l'analisi delle immagini, importate il file cine contenente il movimento delle particelle catturate nell'immagine J e fate clic su immagine, regola, luminosità, contrasto e automatico. Un'immagine ottimizzata automaticamente sostituirà lo sfondo scuro.

Per visualizzare il pattern risultante, fate clic su immagine, pile e progetto Z, quindi selezionate l'opzione intensità massima per la proiezione dell'immagine. Verrà visualizzata un'immagine di output con pixel contenenti il valore massimo su tutte le immagini nello stack. Qui è mostrata una sequenza completa di coalescenza di bolle che porta a oscillazioni non sferiche controllate da simmetria stabile nel tempo che possono essere osservate.

La fase di avvicinamento di due bolle oscillanti sfericamente termina quando il sottile film liquido tra le due bolle si rompe. Dopo il momento della coalescenza, rimane una singola bolla che mostra oscillazioni non sferiche con una forma complessa, corrispondente al regime transitorio di oscillazioni che seguono l'eccitazione di qualsiasi sistema dinamico. Dopo una dozzina di periodi acustici, le forme di oscillazione si stabilizzano in un'oscillazione stazionaria.

Una volta che una bolla è intrappolata e mostra oscillazioni di forma costante, il movimento dei traccianti fluorescenti all'interno della bolla nelle vicinanze può essere catturato. Quando si verificano oscillazioni di forma, il movimento del liquido viene prodotto nelle vicinanze dell'interfaccia della bolla. La registrazione alternativa della dinamica dell'interfaccia della bolla alla scala temporale acustica e del movimento delle particelle ad una scala temporale inferiore consente la correlazione del modello di micro streaming con un dato numero di modalità di forma.

Se la dinamica dell'interfaccia a bolle contiene modalità supplementari, il flusso di micro streaming può essere modificato in modo significativo a causa delle molteplici interazioni tra le modalità che genererebbero modelli specifici. Per associare in modo sicuro il modello di flusso a una determinata sedazione di forma, ricorda che è necessario catturare in alternativa la dinamica della bolla e il movimento del flusso. Questi risultati possono avere un uso pratico in applicazioni neuropatiche come la somministrazione di farmaci mediata da trasformazione.

In effetti, le bolle acustiche sono note per esercitare sollecitazioni indotte dal flusso sulle membrane cellulari che portano alla loro permeazione.