Induzione del microstreaming mediante oscillazioni di bolle non sferiche in un sistema di levitazione acustica
9 maggio 2021
Viene proposta una tecnica veloce e affidabile per controllare le oscillazioni di forma di una singola bolla acustica intrappolata che si basa sulla tecnica della coalescenza tra due bolle. Le oscillazioni della forma della bolla controllate da simmetria e allo stato stazionario consentono l'analisi del flusso di fluido generato in prossimità dell'interfaccia della bolla.
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.
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Panoramica
Questo articolo presenta un metodo per controllare e studiare le oscillazioni non sferiche di microbolle singole intrappolate in una camera di levitazione acustica. Inducendo e analizzando queste oscillazioni di forma, lo studio esplora i flussi fluidi risultanti (microstreaming) e la loro correlazione con la dinamica della bolla, con implicazioni per la somministrazione mirata di farmaci e geni attraverso un aumento della permeabilità della membrana cellulare.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Acustofluidica
- Ingegneria biomedica
- Somministrazione di farmaci mediata da ultrasuoni
Sfondo
- Le microbolle oscillanti vicino a barriere biologiche possono temporaneamente aumentare la permeabilità della membrana cellulare.
- La microfluidica da cavitazione, generata da bolle oscillanti, produce uno sforzo di taglio sui tessuti.
- Il controllo delle oscillazioni non sferiche è complesso ma fondamentale per lo studio dei flussi indotti.
- La comprensione di questi flussi può orientare applicazioni terapeutiche come il rilascio di farmaci e di geni.
Scopo dello studio
- Sviluppare una tecnica per oscillazioni microbollari nonsferiche con controllo della simmetria.
- Visualizzare e correlare i flussi fluidi indotti con la dinamica della forma della bolla.
- Consentire studi controllati sulla microcorrente da cavitazione rilevante per applicazioni biomediche.
Metodi Utilizzati
- Generazione e intrappolamento di microbolle in un levitatore acustico mediante ultrasuoni e cavitazione indotta da laser.
- Induzione di oscillazioni non sferiche tramite coalescenza controllata delle bolle.
- Acquisizione di immagini ad alta velocità (fino a 180 kHz) per registrare la dinamica delle bolle e i modelli di flusso.
- Analisi delle immagini mediante strumenti software (ad esempio, ImageJ) per quantificare il raggio delle bolle e visualizzare i modelli di microflusso.
Risultati principali
- Controllo e stabilizzazione con successo delle oscillazioni non sferiche in bolle singole intrappolate.
- Correlazione diretta tra specifiche modalità di forma e distinti modelli di flusso del fluido.
- Dimostrazione che modalità di forma di ordine superiore possono generare modelli complessi di flusso a lungo raggio.
- Definizione di un flusso di lavoro riproducibile per l’acquisizione alternata di immagini della bolla e del flusso, al fine di associare i modelli di flusso alle modalità di oscillazione.
Conclusioni
- È possibile indurre e studiare in modo affidabile oscillazioni asferiche dei microbolle controllate dalla simmetria.
- Queste oscillazioni producono schemi di microflusso diversi e controllabili, a seconda del contenuto modale dell'interfaccia della bolla.
- I risultati supportano il potenziale per un rilascio mirato e localizzato di farmaci mediante microbolle controllate acusticamente.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale Direttiva
Il controllo delle oscillazioni di microbolle non sferiche in un sistema di levitazione acustica consente uno studio preciso della microcorrente da cavitazione e dei suoi effetti meccanici sulle barriere biologiche. Questa capacità è strategicamente rilevante per la ricerca e sviluppo nel settore biofarmaceutico, che mira a ottimizzare la somministrazione di farmaci e geni mediante ultrasuoni, aumentando la permeabilità della membrana cellulare in modo controllato e localizzato. L'approccio favorisce una previsione affidabile nella riduzione del rischio meccanicistica all'interfaccia tra ricerca biologica scoperta e ricerca traslazionale.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche che coinvolgono la modulazione meccanica delle membrane cellulari.
- Supporta la validazione funzionale del bersaglio correlando i modi di forma delle bolle con i profili di stress di taglio indotti.
- Facilita la riduzione del rischio biologico fornendo collegamenti quantitativi tra la dinamica delle oscillazioni e gli effetti di microflusso.
Sviluppo di screening e saggi
- Prepara sistemi di microbolle convalidati per lo screening successivo di protocolli di somministrazione mediati da ultrasuoni.
- Standardizza le condizioni del saggio controllando la simmetria delle oscillazioni e i modelli di flusso.
- Consente misurazioni quantitative e riproducibili dello stress di taglio indotto dal fluido su barriere modello.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i modelli di microflusso a modelli rilevanti per le malattie per studi sul rilascio mirato.
- Permette un approccio continuo dalla scoperta dei meccanismi alla validazione preclinica di strategie di somministrazione basate sull'ultrasuono.
- Fornisce dati aggiustati per il rischio utili per lo sviluppo di modalità di somministrazione farmacologica localizzata.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo collega la fase iniziale della scoperta alla ricerca traslazionale, permettendo studi controllati sugli effetti meccanici indotti dalle microbolle, e supportando l'identificazione di composti promettenti e lo sviluppo di modelli preclinici.
- Biologia della scoperta: Facilita la verifica di ipotesi sul ruolo del microflusso nella permeabilizzazione della membrana.
- Screening: Fornisce condizioni standardizzate e riproducibili di oscillazione e flusso per studi comparativi.
- Analisi: Offre misurazioni quantitative della dinamica delle bolle e dei modelli di flusso fluido per analisi statistiche solide.
- Ricerca traslazionale: Collega i risultati meccanicistici a modelli preclinici di somministrazione mirata di farmaci.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma riutilizzabile per lo studio degli effetti delle microbolle acustiche in diversi programmi di ricerca e sviluppo.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nei meccanismi di somministrazione mediata da ultrasuoni e riduce l'ambiguità meccanicistica.
- Valore operativo: Migliora la standardizzazione, la riproducibilità e la scalabilità degli assay basati su microbolle.
- Valore strategico: Orienta le decisioni di avanzamento o interruzione per nuove modalità di somministrazione e migliora l'efficienza del capitale.
- Impatto sul portafoglio: Sostiene la priorizzazione corretta per rischio dei programmi di somministrazione mirata.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in acustofluidica e analisi di immagini ad alta velocità.
- Necessita di strumentazione specializzata, inclusi camere di levitazione acustica e telecamere ad alto frame rate.
- Richiede una standardizzazione intersettoriale dei protocolli di oscillazione e di acquisizione delle immagini.
- Deve adattare i protocolli a diversi modelli di barriere biologiche e contesti di somministrazione.
- È limitato dalla necessità di un controllo preciso della coalescenza delle bolle e delle modalità di oscillazione.
