Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-09T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: 学ぶ音響浮上システムを用いたマイクロバブルの非球面振動制御法。形状モードとマイクロストリーミング流れの相関を可視化し、標的薬物送達への応用可能性を示す。

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この研究は、リヨン大学のLabEx CeLyA(ANR-10-LABX-0060 / ANR-11-IDEX-0007)の支援を受けました。

1.音響浮上室の設計
<ol><li>マルチフィジックスシミュレーションソフトウェア(材料表)のジオメトリモジュールを使用して、光学的に透明な(PMMAのような)立方体タンク(エッジ8 cm、面あたり厚さ2.8 mm)を設計します。</li>
	<li>タンクの底部を中心とする円筒面(Ø=35mm)を挿入し、超音波探触子をモデル化する。</li>
	<li>境界条件を、探触子表面での振幅1 μmの垂直変位で各壁の圧力をゼロに設定します。</li>
	<li>周波数領域モジュールを使用して、loc1 = (0.01375, 0.01375, 0.04125), loc2 = (0, 0, 0.0088), および loc3 = (0.021725, 0.023375, 0.00935) の 3 つの任意の位置で、周波数範囲 [10 - 40] kHz のタンクの周波数応答関数 (FRF) をシミュレートします。</li>
	<li>キャビティの音響モードの1つがトランスデューサの公称周波数(ここでは31.2 kHz)に対応するようにタンクサイズを調整します。したがって、FRFには、 図3に示すように、この周波数に近い共振ピークが1つ含まれています。</li>
	<li>図4に示すように、タンク内の圧力場をプロットします。選択された共振モードは、音響気泡が閉じ込められる容器の内側に少なくとも1つの圧力反節を含まなければならない。</li>
	<li>タンクを設計するときは、タンク面をしっかりと閉じるために、各端にガイド溝がある可動上面を設計します。タンクを液体媒体で満たすために、上面に小さな穴を開けます。</li>
	<li>超音波トランスデューサ(ランジュバンタイプ、公称周波数31.2 kHz)を含む自家製フレームの上に水タンクを置きます。エコーゲルを使用して、トランスデューサーをタンク底壁に結合します。</li>
	<li>タンクとフレームシステムを、マイクロメトリックネジを使用して3方向変位テーブルの上に配置します。</li>
	<li>タンクにマイクロフィルター、脱塩、水(脱気なし、容量~500mL、酸素飽和度約8mg·L-1)。 注:脱気の代わりに脱気水を使用しないと、実験期間中安定した気泡を維持することができます。脱気水を使用すると、整流(超音波媒介)拡散によってわずかに相殺されても、ガス拡散による気泡収縮が加速します。</li>
</ol>2. 気泡発生と音響校正
<ol><li>レーザー誘起気泡核生成、音響励起、高速記録に使用する実験セットアップを準備します(図5a、b、c)。実験のセットアップは、(A)音響浮上システム、(B)レーザー電源と(C)レーザーヘッド、(D)1つの球面凹レンズ、(E)1つの平凹レンズと1つの非球面レンズ、(F)高速度カメラ、(G)連続発光ダイオードで構成されています。その後、液体の流れの測定(図5d)(H)1つの連続波レーザー光源、(I)円筒平凹レンズ、続いて第1レンズの後ろに挿入し直交軸に向けられた円筒平凹レンズを追加します。</li>
	<li>超音波トランスデューサをファンクションジェネレータに接続します。励起信号を正弦波波形、連続波、周波数31.2kHzに設定します。振幅は唯一の可変パラメータです。</li>
	<li>レンズ(D)をレーザーヘッド(C)の約6cm前に配置します。</li>
	<li>レンズ(E)をレンズ(D)の約12cm前に配置します。</li>
	<li>レーザーの集束点が水タンクの内側に位置するように水タンク(A)を配置し、レーザーパルス(5-10 mJ)ごとに火花を発生させます。レーザースパークは、ターゲット圧力反節の約3 cm下に配置する必要があります。 注:超音波(US)がないと、浮力によりレーザー核気泡が上面に上昇します。</li>
	<li>超音波トランスデューサの電源を入れます。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、圧力の反節に向かって偏り、十分な高圧の場合は閉じ込められます。</li>
	<li>閉じ込められた気泡を観察するために、バックライト付き照明(連続発光ダイオード)と高速度カメラを設定します。 注:レーザースパークで新しい気泡を核形成する場合、トラップ位置に近づく気泡の軌道を簡単にキャプチャできます。</li>
	<li>水タンク内のレーザースパークの位置を移動して、気泡の軌道がカメラの焦点面内に留まるようにします。</li>
	<li>1つのバブルをトラップし、次のパラメータを使用してその半径方向の振動をキャプチャします:フレームサイズ128 x 128ピクセル、取得レート180 kHz。2つの音響周期にわたる大振幅の半径方向振動の例を 図6に示します。典型的な気泡のサイズは30〜80μmの範囲です。</li>
	<li>数百から数千の気泡振動をキャプチャするために、3〜30ミリ秒の間に気泡半径方向振動を記録します。この記録を繰り返して、トランスデューサーの印加電圧を上げます。標準的な印加電圧は0〜8Vの範囲です。 注意: 印加電圧を変更すると、閉じ込められた気泡の平衡位置がわずかに垂直に移動します。バックライト付き照明とカメラを動かさずに振動を追跡するには、システム(トランスデューサーと水タンク)をマイクロメトリック精度で3方向可動テーブルに配置します。</li>
	<li>超音波トランスデューサのスイッチを入れ、後分析のために背景の画像を1つキャプチャします。</li>
	<li>次の手順に従って、ビデオシリーズを後処理します。<ol><li>実行可能ファイル VoltagePressure.exe を実行します。 図 7 に示すインターフェイスが開きます。 注: このスクリプトは補足ドキュメントとして入手できます。</li>
		<li>左側の列に物理パラメータと実験パラメータを指定します(図7A)。</li>
		<li>一連の記録の印加電圧の値を右下の表に指定します(図7B)。</li>
		<li>バブル半径分析パネルで、[パラメーターの読み込み](図7C)をクリックし、ビデオシリーズのすべてのファイルを含むフォルダーを選択してから、背景画像(必須)を選択します。</li>
		<li>すべてのビデオを一度に分析するか、[ 自動]をクリックして分析するか、[ ステップバイステップ]をクリックして1つずつ分析するかを選択できます。</li>
		<li>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。赤い曲線は、線形化されたレイリー・プレセットモデリングに対応しています。平衡気泡半径が表示されます(図7D)。</li>
		<li>数値フィッティングに従って、この電圧に適用される圧力が 圧力(電圧)グラフ パネルに表示されます(図7E)。加えられた圧力の値は、右下の表にも表示されます(図7B)。0〜8Vの電圧ダイナミクスに対応する典型的な印加圧力は0〜25kPaです。</li>
		<li>すべてのビデオが処理されたら、[線形回帰]ボタンをクリックして、圧力/電圧曲線の 線形 フィットを実行します。データ(電圧値と圧力値)は、現在のディレクトリにある.txtファイルに保存されます。はめあいの勾配が提供されます。</li>
	</ol></li>
</ol>3.合体技術
<ol><li>超音波トランスデューサの電源を入れます。図8に示すように、不安定ゾーンの数値圧力/半径 図に従って、対応する音圧が表面の不安定性のトリガーにつながるように、印加電圧を十分に高く設定します。</li>
	<li>気泡を核形成すると、気泡はその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は、次の手順に進みます。非球面振動が現れた場合:<ol><li>超音波電源をオフにして、気泡を上面に上昇させます。</li>
		<li>レーザーエネルギーを変更するか(数mJで微調整することにより)、トランスデューサ電圧を下げます。</li>
		<li>超音波電源をオンにします。</li>
		<li>新しいバブルを核形成します。</li>
		<li>気泡サイズが純粋に球形の振動になるまで、この手順を繰り返します。</li>
	</ol></li>
	<li>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。新しいバブルがトラップ位置に到達すると、合体が発生します。</li>
	<li>合体気泡が球状振動のみを示す場合は、新しい気泡を生成します。非球面変形が発生する気泡半径に到達するには、複数の合体が必要になる場合があります。非球面振動につながる気泡合体の例を 図9に示します。</li>
	<li>合体した気泡が非球面振動を示したら、気泡振動を約3〜30ミリ秒の期間記録します。</li>
	<li>形状振動のモード数は 図10を参照して特定する。</li>
</ol>4. 流体流量測定
<ol><li>キャビテーションマイクロストリーミング測定の場合、気泡核形成の前に蛍光トレーサー粒子を水に添加する必要があります。この研究では、0.71μmの粒子を使用しています(材料表)。それらは、音響的に透明であり(音響放射力の影響を受けない)、流れに正確に追従するのに十分な大きさであり、レーザー光を散乱させるのに十分な大きさである。水タンクの容量には、約2.104 粒子/ mm 3に相当する3滴を使用します。</li>
	<li>測定を行う前に、(高速タイムスケール)気泡ダイナミクスと(低タイムスケール)流体の流れの両方をキャプチャするために、次のパラメータを設定します。<ol><li>カメラ録画ディスクのパーティションを作成します。</li>
		<li>または、記録パラメータを次のように定義します。<ol><li>フレームレート180kHz、フレームサイズ128 x 128ピクセル、露光時間1μsでバブル界面のダイナミクスを1回記録</li>
			<li>フレームレート600Hz、フレームサイズ1024×768ピクセル、露光時間1msで色素トレーサーの動きを1回記録。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>連続レーザーを使用してください。</li>
	<li>レーザービームを直交軸に向けられた円筒平凹レンズと円筒平凸レンズを連続して通過させることで、薄いレーザーシートを作成します。約160μmのビーム幅が得られます。</li>
	<li>イメージング面に対応するようにレーザーシートを設定します。<ol><li>レーザーシートを撮像面と平行に移動できるように、可動装置にレーザーをセットします。</li>
		<li>照らされたパーティクルがカメラから見えるように位置を調整します。</li>
		<li>気泡を核形成してトラップします。</li>
		<li>レーザーシートの位置をさらに調整して、バブルの後ろに影が見えるようにします。 これで、図 11 に示すように、バブルがレーザー シートの内側に配置されます。</li>
	</ol></li>
	<li>安定して振動する形状モードが明らかになるまで気泡合体を誘導します。</li>
	<li>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て、いくつかの録音を行います。 注意: 不要な場合は、連続レーザーの電源を切ってください。加熱は望ましくない対流を作り出す可能性があります。また、ストリーミングフローの測定を行うときは発光ダイオードをオフにしてください。</li>
</ol>5. キャビテーションマイクロストリーミングパターンを可視化する画像処理
<ol><li>画像処理・解析用の可視化ソフトウェアImageJをJavaでインストールします。また、プラグインCINEファイルリーダーをインストールして、高速カメラファイルを開きます。</li>
	<li>ファイルをクリック |インポート |CineFile を選択し、パーティクル モーションのキャプチャを含むビデオ *.cine を選択します。</li>
	<li>選択する 仮想スタックを使用する 新しいウィンドウで、ビデオがロードされます。</li>
	<li>ストリーミング パターンを表示せずにパーティクルの動きを観察するには、[ 画像] |調整 |明るさ/コントラスト |自動。暗い背景は、自動的に最適化された画像に置き換えられます。</li>
	<li>結果のパターンを表示するには、画像|スタック |[Z プロジェクト]をクリックし、画像投影の[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イメージの最大値を含むピクセルを含む出力イメージが表示されます。必要に応じて、手順 5.4 の説明に従って画像のコントラストを調整します。 メモ: 図 12b および 図 12d に示すようなストリーミングパターンが得られます。</li>
</ol>

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著者は開示するものは何もありません。

提示された手順は、定常状態の対称制御された気泡形状振動をトリガーするために気泡合体を使用することで構成され、これらの振動によって引き起こされる長期的な流体の流れの研究を可能にします。この技術の主な課題は、境界から遠く離れた気泡が閉じ込められている場合の非球面振動の制御です。
文献で提案されている既存の技術のほとんどは、気泡中心の動きがないため、音響タイムスケール(最大数百kHz)での界面の捕捉が容易になるため、基板に取り付けられた気泡7、16に焦点を当てていました。この場合、形状モードをトリガーするために必要な圧力しきい値を超えることは簡単な作業ですが、基板によって誘発される対称性の破れにより、形状振動の制御が複雑になります。壁に取り付けられた気泡は、特定の接触角で基板に接触しており、非対称表面モード21のトリガーにつながる。単一のカメラビューのみで3次元の非対称モードを解釈する複雑さに加えて、カオス表面振動レジームへ...

医学では、投与された薬物は、所望の標的に到達する前に、生体系の多くの障害物を貫通しなければならない。しかし、ほとんどの薬は血流から急速に取り除かれます。ターゲティング効率が低く、細胞膜を容易に通過できないため、薬物送達が効果がありません。現在、マイクロバブルと超音波の組み合わせは、病理学的組織および細胞への薬物および遺伝子の非侵襲的、正確かつ標的化された送達のための革新的な方法として提案されている1。このアプローチでは、マイクロバブルは、遊離薬物が気泡懸濁液と同時注入されるか、またはその表面に装填される担体としての役割を果たすことができる。マイクロバブルは、細胞と相互作用するために超音波エネルギーを再集束させるための局所ベクトルとしても作用することができる。基本的に、超音波照射下では、気泡は安定して圧縮および膨張し、液体の流れを生成し、したがって近くの物体にせん断応力を発生させる安定キャビテーションと呼ばれる体制である。マイクロバブルはまた、慣性キャビテーションの領域で非線形に振動し、崩壊するまで膨張し、崩壊部位2から放射状に伝播する衝撃波を生成する可能性があります。安定または慣性のいずれかのキャビテーションは、細胞膜の透過処理を促進し、したがって細胞内への薬物の内在化を促進することが示されている3。
治療用途では、気泡と細胞の相互作用のメカニズムを理解することは非常に重要ですが、科学的側面と技術的側面の両方から、私たちの知識の進歩を妨げるいくつかの障壁があります。まず、気泡が誘発する機械的刺激に応答する細胞の動態を捉えることは非常に困難です4。音響時間スケールでは、一次マイクロバブル振動は膜チャネルの活性化につながり、生物学的界面を横切る分子通過を促進することができます。これは、「細胞マッサージ」5とも呼ばれる細胞膜の直接振動によって起こります。直接的な機械的ストレス後のチャネル活性化は、超音波曝露中および曝露後の細胞膜の電気生理学的特性を測定するパッチクランプ技術を使用して証明されました6。気泡誘起細胞動態(細胞膜の変形の完全な場を意味する)を音響タイムスケールで測定することは、細胞膜7に孔を誘導するために必要な膜面積拡大ΔA / Aの閾値に関する洞察も提供するであろう。第2の障壁は、マイクロバブルによる細胞溶解を回避するために、崩壊する気泡レジームを制御することです。気泡崩壊と誘起マイクロジェットは、膜穿孔が起こるメカニズムとして同定されています8,9。透過処理されると、細胞膜は脂質二重層のカルシウム自己封鎖および細胞内小胞の融合によって修復される9。気泡崩壊の発生はまた、細胞に致命的な損傷を引き起こし、周囲の細胞に不必要な副作用を引き起こす可能性があります。超音波を介した血液脳関門開口部などの敏感なアプリケーションでは、慣性気泡の崩壊を避けるべきであると一般に認められています10。
したがって、マイクロバブル11の安定した振動を確保するために、パッシブキャビテーションの監視および制御と相まって、超音波放出シーケンスの設計に現在多大な努力が払われている。この安定な領域において、安定に振動する気泡は、細胞膜7上の空間的に標的化されたせん断応力を促進することによって、膜透過処理の誘発に強い役割を果たすという仮説が立てられている。せん断応力は、振動する気泡の近傍で発生する液体の流れから生じます。これらの液体の流れはキャビテーションマイクロストリーミングと呼ばれ、前述のように、細胞外分子の取り込みの促進に関与するいくつかの可能なメカニズムの1つです。インビトロ生物学的トランスフェクションアッセイ12のような気泡または細胞の懸濁液を扱う場合、マイクロストリーミングによる透過処理は、気泡崩壊による透過処理よりもはるかに効率的であり得る。これは、単純な幾何学的考察によって示すことができます。細胞懸濁液では、懸濁細胞の大部分が十分に大きな機械的効果(膜透過処理につながる)に服従する場合、ソノポレーションは効率的になります。気泡崩壊は、気泡壁軸13 や気泡-気泡と気泡セル線がそれらの重心14を結合するような等方対称性の破れ方向に沿って方向付けられることが知られている。したがって、生成されたマイクロジェットは、細胞の中心と気泡の中心を結ぶ有限数の線に沿った空間的に局在する現象です。細胞および気泡濃度、ならびに気泡-細胞間距離によっては、この効果は、浮遊細胞の総数を透過させるのに最も効率的ではない場合があります。対照的に、キャビテーションマイクロストリーミングは、気泡半径に比べて大きな空間膨張を伴う、遅い時間スケールで発生する現象です。また、液体の流れは気泡の周囲全体に分布しているため、非常に長い範囲でより多くのセルに影響を与える可能性があります。したがって、振動気泡の周囲に発生するキャビテーションマイクロストリーミングを理解することは、細胞に加えられる気泡誘起せん断応力を制御および定量化するための前提条件です。
そうするために、予備ステップは、生成された液体の流れが気泡界面15、16の運動によって誘導されるので、超音波駆動気泡の球状および非球形振動を制御することからなる。特に、マイクロバブルの形状振動をトリガーし、安定に保つ必要があります。さらに、気泡界面ダイナミクスと誘起マイクロストリーミングパターンとの相関を適切に解析するために、気泡形状振動の向きを制御する必要があります。既存の文献を要約すると、キャビテーション誘起マイクロストリーミングの詳細な実験結果は、表面に付着した気泡についてのみ利用可能であることは明らかです。壁に取り付けられたマイクロバブルは、超高速顕微鏡システムの下でマイクロメートルスケールで正確な界面ダイナミクスと細胞相互作用を評価するために一般的に使用されます。この構成は、細胞膜17、18、19上に位置する振動性マイクロバブルを考慮する場合に治療的に関連する。しかし、基板付着気泡の研究は、接触線ダイナミクス20の複雑な性質と非対称形状モード21のトリガーのために、気泡ダイナミクスの分析をより複雑にする可能性があります。医療および生物学的用途では、壁に付着していない気泡は、小さな容器などの限られた形状によく見られます。これは、気泡のダイナミクスと形状の不安定性に大きな影響を与えます。特に、近くの壁の存在は、形状モードトリガの圧力閾値を、形状モード数および気泡サイズ22に応じてより低い圧力値にシフトする。壁はまた、気泡誘起マイクロストリーミングにも影響を及ぼし、生成された流れ23に対しておそらくより高い強度を有する。
マイクロバブルが経験する可能性のあるすべてのシナリオ(自由または付着、壁の近く、崩壊または安定して振動)の中で、境界から遠く離れた単一の気泡の非球面ダイナミクスを調査することを提案します。実験セットアップは、気泡をトラップするために定在超音波が使用される音響浮上システム24に基づいている。このシナリオは、例えば、浮遊気泡と細胞の集合体がソノトランスフェクションチャンバー内に共存する医療アプリケーションと一致している。気泡と細胞が近すぎない限り、細胞の存在は気泡界面のダイナミクスに影響を与えないと仮定される。細胞がキャビテーション誘起マイクロストリーミングのループ状の軌跡をたどるとき、それらは周期的に気泡位置から接近して反発しており、細胞の存在はストリーミングパターンとその平均速度に影響を与えないと考えることができます。また、境界から遠く離れた単一気泡からの非球面ダイナミクスや誘起マイクロストリームは、理論的な観点からもよく知られています。気泡誘起液体の流れを気泡輪郭ダイナミクスにリンクさせるためには、気泡界面ダイナミクスを正確に特徴付ける必要があります。そのためには、治療に用いるものに対して時空間スケールを適応させ、一般的な高速度カメラ(100万フレーム/秒以下)で、低周波数で励起された大きな気泡を用いて取得できるようにすることが好ましい。コーティングされていない気泡を考える場合、与えられたモードnの固有周波数ωnは、25として<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62044/62044eq1.jpg">気泡サイズに関係します。この半径-固有周波数関係は、殻付き気泡26を考えると若干修正されるが、固有振動数ωnの大きさの程度は変わらない。したがって、30kHzの超音波場で平衡半径~50μmの気泡を調べることは、Dolletらによって提案されたように、1.7MHzの磁場で半径~3μmのコーティングされた気泡を研究することに似ています27。したがって、同様の形状モード番号、したがってマイクロストリーミングパターンが予想されます。
気泡界面の非球面振動をトリガするには、図1に示すように、半径に依存する特定の圧力閾値を超える必要があります。既存の実験技術は、段階的な圧力上昇28または表面モードの周期的な開始と消滅の原因となる変調振幅励起29のいずれかによって、表面モードをトリガーするための音圧の増加に依存しています(図1の経路(1)で示されています)。これらの技術の主な欠点は、(i)表面振動の対称軸のランダムな配向が結像面にあるように制御できないこと、(ii)気泡形状振動の寿命が短いため、より大きなタイムスケールで誘導された液体の流れの分析が困難になること、および(iii)不安定な形状モードが頻繁にトリガーされることです。図1の経路(2)に示すように、半径/圧力マップで一定の音圧で圧力しきい値を超える代替手法を提案します。そのためには、不安定ゾーンになるようにバブルサイズを大きくする必要があります。このような増加は、気泡合体技術によって行われる。最初は球状に振動する2つのマイクロバブルの合体を利用して、1つの変形気泡を作成します。合体気泡の音圧と気泡サイズが不安定ゾーンにある場合、サーフェスモードがトリガーされます。また、合体法が定常状態で安定した形状振動を誘起し、接近する2つの気泡の直線運動によって定義される対称軸を制御することも証明しました。安定した形状振動が数分にわたって確保されるため、薄いレーザーシートで照明された蛍光微粒子を液体媒体に播種することにより、気泡誘起流体の流れの分析が可能です。気泡界面近傍における固体微粒子の運動を記録することは、誘導流体流30のパターンを識別することを可能にする。気泡形状振動のトリガーの全体的な原理は、時間的に安定した流体の流れにつながることを図2に示します。
以下のプロトコルでは、合体技術を介して安定した気泡形状の振動を作成するために必要な手順の概要を説明し、流体の流れの測定について説明します。これには、音響浮上システムの設計、音響キャリブレーション、気泡核生成および合体技術、気泡界面ダイナミクスおよび周囲の流体流の測定、および画像処理が含まれます。

<table><tbody><tr><td>非球面レンズ</td><td>Thorlabs</td><td>AL4050</td><td>焦点レンズ 40 mm</td></tr><tr><td>連続波レーザー光源</td><td>CNI</td><td>MLL6FN</td><td>DPSS 波長 532nm、エネルギー 400 mW</td></tr><tr><td>円筒形平面凹レンズ</td><td>Thorlabs</td><td>LJ1277L1-A</td><td>フォーカスレンズ -25?4mm</td></tr><tr><td>円筒形平面凹レンズ</td><td>Thorlabs</td><td>LK1900L1</td><td>焦点レンズ 250 mm</td></tr><tr><td>蛍光粒子</td><td>デューク・サイエンティフィック</td><td>R700</td><td>赤色ポリマー蛍光微小球</td></tr><tr><td>機能発生器</td><td>アジレント</td><td>HP33120</td><td>超音波トランスデューサーを供給する機能発生器</td></tr><tr><td>高速カメラ</td><td>ビジョンリサーチ</td><td>ファントム v12.0</td><td>最大1Mfpsの高速記録</td></tr><tr><td>液体媒体</td><td>カルロ・エルバ</td><td>分析用水</td><td>脱塩、未脱気水</td></tr><tr><td>マルチフィジックスソフトウェア</td><td>Comsol</td><td>None</td><td>浮上室の音場をシミュレートするためのソフトウェア</td></tr><tr><td>Nd:Yag パルスレーザー</td><td>New Wave Research</td><td>Solo III-15</td><td>5 ns パルス幅、 &lambda;=532 nm、ビーム径 3.5 mm、最大 50 mJ</td></tr><tr><td>平凹レンズ</td><td>Thorlabs</td><td>N-BK7</td><td>焦点レンズ 125 mm</td></tr><tr><td>球面凹レンズ</td><td>Thorlabs</td><td>N-SF11</td><td>焦点のバイコンケーブレンズ -25mm</td></tr><tr><td>超音波トランスデューサ</td><td>SinapTec</td><td>カスタムメイド</td><td>公称周波数 31kHz、アクティブエリア 直径35mm</td></tr><tr><td>視覚化ソフトウェア</td><td>NIH</td><td>ImageJ</td><td>Javaでの画像処理と分析のためのソフトウェア</td></tr><tr><td>XYリニアステージ</td><td>ニューポート</td><td>M-406</td><td>マイクロメトリックスクリュー付き変位ステージ</td></tr><tr><td>Z軸リニアステージ</td><td>エドモンド・オプティクス</td><td>62-299</td><td>マイクロメトリックスクリュー付き垂直変位ステージ</td></tr></tbody></table>

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

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

生物学的障壁の近くに位置する場合、振動するマイクロバブルは細胞膜透過性を高め、薬物および遺伝子の内在化を可能にする可能性がある。実験的観察は、これらの障壁の一時的な透過処理が、キャビテーションマイクロストリーミングによって細胞組織に及ぼされるせん断応力によるものである可能性があることを示唆している。キャビテーションマイクロストリーミングは、振動する超音波マイクロバブルの周りに発生する渦流の生成です。このような液体の流れを生成するには、気泡振動が純粋に球面振動から逸脱し、並進不安定性または形状モードのいずれかを含む必要があります。気泡誘起流れや近傍表面におけるせん断応力の実験的研究は、マイクロバブルの形状変形を安定して制御して捉えることが難しいため、その範囲が限定されることが多い。対称制御された非球面振動の研究のための音響浮上室の設計について説明します。このような制御は、十分に強い超音波場において2つの接近気泡間の合体技術を使用することによって行われる。非球面振動の制御は、自由表面振動マイクロバブルの制御されたキャビテーションマイクロストリーミングへの道を開きます。高フレームレートカメラは、音響時間スケールでの非球面気泡ダイナミクスと、より低い時間スケールでの液体の流れを準同時に調査することができます。多種多様な流体パターンが得られ、それらが気泡界面のモード含有量と相関していることを示しています。界面ダイナミクスに複数のモードが含まれていれば、高次形状モードでも長距離の流体パターンを作成できることを示し、標的および局所的な薬物送達のための非球面振動の可能性を強調しています。

時間安定で対称的に制御された非球面振動につながる気泡合体の完全なシーケンスを 図9に示します。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。合体前の最後の段階で、バブル界面が球形度から逸脱することは注目に値します。両方の気泡は、接近の直線運動の経路に沿って楕円体形状に伸びる。合体モーメントの後、単一の気泡が残り、いくつかの音響周期の間に複雑な形状の非球形振動を示します。これは、任意の動的システムの励起に続く振動の過渡領域に対応します。図 10の解釈から推測できるように、数十から100の音響周期の後、形状振動は定常状態の振動で安定します(ここではモード4の場合)。このモードは、数千の音響期間、数ミリ秒から数分間持続する場合があります。これにより、気泡誘起液体の流れの準同時測定が可能になります。
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-page="1"...

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。

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

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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