音響浮上システムにおける非球面気泡振動によるマイクロストリーミングの誘導
2021年5月9日
2つの気泡間の合体技術に基づく単一のトラップ音響気泡の形状振動を制御するための高速で信頼性の高い技術が提案されています。定常状態で対称的に制御された気泡形状振動により、気泡界面近傍で発生する流体の流れを解析できます。
気泡誘起の機械的作用を理解することは、多くの工学的および治療的応用において極めて重要である。気泡の振動や近傍の誘起流を制御することは、依然として困難な課題です。提案技術は、音響浮上器に閉じ込められた単一の気泡の形状振動を制御することを可能にする。
次に、誘導された流れが視覚化され、気泡のダイナミクスと相関します。超音波治療応用研究室の学生であるエステル・メジアナイが手順を実演します。レーザーの集束点が水タンク内に配置されるように発振器の水タンクを配置することで気泡の生成を開始し、5〜10ミリジュールのレーザーパルスごとに火花を発生させます。
超音波トランスデューサのスイッチを入れ、気泡が垂直に上昇しなくなるまで印加電圧を上げますが、圧力アンチノードに向かって逸脱して閉じ込められます。バックライト付き照明を連続発光ダイオードに設定し、閉じ込められた気泡を観察できるように高速度カメラを選択します。バブルをトラップして半径方向の振動をキャプチャするには、フレームサイズを 128 x 128 ピクセルに設定し、取り込みレートを 180 キロヘルツに設定します。
0〜8ボルトの印加トランスデューサ電圧の増加下で、気泡の半径方向振動を3〜30ミリ秒で記録します。最後の記録の後、超音波トランスデューサのスイッチを切り、後分析のために背景の1つの画像をキャプチャします。ビデオ シリーズの後処理を行うには、電圧圧力を実行します。
EXE ファイルにエクスポートします。一連の記録の物理的および実験的パラメータと印加電圧の値を指定します。バブル半径分析パネルで、[パラメーターの読み込み] をクリックし、すべてのビデオ シリーズと背景画像ファイルを含むフォルダーを選択します。
ビデオファイルごとに、バブル半径の進化が1つの音響周期にわたってプロットされ、数値フィットが重ね合わされます。すべてのビデオが処理されたら、[線形回帰]をクリックして、圧力電圧曲線の線形フィットを実行します。データは、現在のディレクトリ内の txt ファイルに保存されます。
気泡合体を誘発するには、超音波トランスデューサのスイッチを入れ、対応する音圧が表面の不安定性を引き起こす可能性があるように印加電圧を十分に高く設定し、気泡を核形成してトラップ位置に移動します。閉じ込められた気泡が球形の振動のみを示す場合、新しいレーザー火花を生成します。新しい気泡がトラップ位置に到達すると、合体が起こり、合体気泡がスパーク後に球状振動のみを示す場合、新しい気泡を生成する。
ただし、非球面変形が発生する半径に到達するには、複数の合体が必要な場合があることに注意してください。合体気泡が非球面振動を示したら、気泡振動を約3〜30ミリ秒記録し、図を使用して気泡の形状振動のモード番号を特定します。流体流量測定を実行するには、フレームレートを180キロヘルツ、フレームサイズを128 x 128ピクセル、露光時間を1マイクロ秒に設定して、バブルインターフェースのダイナミクスを記録します。
染料トレーサーの動きを記録するには、フレームサイズを1024 x 768ピクセル、フレームレートを600ヘルツ、露光時間を1ミリ秒に設定します。レーザーシートの位置を調整して、照らされた粒子がカメラから見えるようにし、図のように気泡を核形成してトラップします。レーザーシートの位置をさらに調整して、気泡の後ろに影が見えるようにし、安定して振動する形状モードが明らかになるまで気泡の合体を引き起こします。
次に、いくつかの録音を取得し、バブルダイナミクスとマイクロストリーミングを切り替えます。画像処理と解析を行うには、キャプチャしたパーティクルモーションを含むシネファイルを画像Jにインポートし、画像、調整、明るさ、コントラスト、自動をクリックします。自動的に最適化された画像が暗い背景に置き換わります。
結果のパターンを表示するには、[イメージ]、[スタック]、および [Z プロジェクト] をクリックし、イメージ投影の最大強度オプションを選択します。スタック内のすべての画像の最大値を含むピクセルを含む出力画像が表示されます。ここに示されているのは、観察可能な時間安定対称制御非球面振動につながる気泡合体の完全なシーケンスです。
2つの球状に振動する気泡の接近相は、2つの気泡の間の薄い液体膜が破裂したときに終了します。合体モーメントの後、複雑な形状の非球面振動を示す単一の気泡が残り、任意の動的系の励起後の振動の過渡領域に対応する。十数から100の音響周期の後、振動形状は定常状態の振動に安定します。
気泡がトラップされ、定常形状の振動を示すと、気泡近傍の蛍光トレーサーの動きを捉えることができます。形状振動が発生すると、気泡界面近傍で液体の動きが発生します。音響タイムスケールでの気泡界面のダイナミクスとより低いタイムスケールでの粒子の運動の代替記録により、マイクロストリーミングパターンを所与の形状モード番号に相関させることができます。
バブルインターフェイスのダイナミクスに補助モードが含まれている場合、特定のパターンを生成するモード間の複数の相互作用により、マイクロストリーミングフローが大幅に変更される可能性があります。フローパターンを特定の形状鎮静に安全に関連付けるには、バブルのダイナミクスと流れの動きを交互にキャプチャする必要があることに注意してください。これらの知見は、形質転換媒介薬物送達などの神経障害性応用に実用化されている可能性がある。
実際、音響気泡は、細胞膜に流れによって誘発される純粋なストレスを及ぼし、細胞膜を透過させることが知られています。
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概要
この研究では、結合法を用いて単一の捕捉音響バブルの形状振動を制御する技術を提示します。この技術により、バブルの界面付近で生成される流体の流れの可視化と分析が可能になります。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 音響浮上
- 流体力学
- バブル力学
背景
- バブル誘発機械作用を理解することは、様々な工学および治療応用にとって不可欠です。
- バブルの振動とそれによる流れの制御は、依然として大きな課題です。
- この研究は単一のバブルの形状を操作する方法に焦点を当てています。
- 誘発された流れの可視化はバブルのダイナミクスと相関しています。
研究の目的
- バブルの形状振動を制御する信頼性の高い技術を開発すること。
- バブルの界面周辺の流体流れを分析すること。
- 音響浮上器を用いて手順を実演すること。
使用した方法
- 水槽内でレーザースパークを用いたバブル生成。
- 結合技術によるバブル振動の制御。
- バブル周辺の誘発された流れの可視化。
- 超音波の治療応用研究室の学生による実演。
主な結果
- この技術は、捕捉されたバブルの形状振動を成功裏に制御しました。
- 誘発された流れは可視化され、バブルのダイナミクスと相関しました。
- この方法は、工学および治療応用に有望です。
- 実演は、この技術の実用性を強調しています。
結論
- 提案された技術は、バブルのダイナミクスを制御するのに効果的です。
- 流れの可視化は、バブルの相互作用の理解を深めます。
- この研究は治療用超音波応用の進歩に貢献します。
よくある質問
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.
