Name: 음향 부상 시스템에서 Nonspherical Bubble Oscillations에 의한 마이크로스트리밍 유도 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-09T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: 학습하세요 음향 부상 시스템에서 비구형 기포 진동을 제어하여 미세유동을 유도하는 방법을. 고속 촬영과 이미지 분석을 통해 기포 역학과 유동 패턴의 상관관계를 밝히고, 이를 활용한 표적 약물 전달 기술을 개발합니다.

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이 작업은 리옹 대학의 LabEx CeLyA(ANR-10-LABX-0060 / ANR-11-IDEX-0007)의 지원을 받았습니다.

1. 음향 부상 챔버의 설계
<ol><li>다중물리 시뮬레이션 소프트웨어(Table of Materials)의 지오메트리 모듈을 사용하여 광학적으로 투명한(PMMA와 같은) 입방체 탱크(가장자리 8cm, 면당 두께 2.8mm)를 설계합니다.</li>
	<li>탱크 바닥 중앙에 원통형 표면(Ø = 35mm)을 삽입하여 초음파 변환기를 모델링합니다.</li>
	<li>트랜스듀서 표면에서 진폭 1μm의 수직 변위로 각 벽의 경계 조건을 0 압력으로 설정합니다.</li>
	<li>주파수 영역 모듈을 사용하여 주파수 범위 [10 - 40] kHz에서 탱크의 주파수 응답 함수(FRF)를 세 개의 임의 위치 loc1 = (0.01375, 0.01375, 0.04125), loc2 = (0, 0, 0.0088) 및 loc3 = (0.021725, 0.023375, 0.00935)에서 시뮬레이션합니다.</li>
	<li>캐비티의 음향 모드 중 하나가 변환기의 공칭 주파수(여기서는 31.2kHz)에 해당하도록 탱크 크기를 조정합니다. 따라서 FRF는 그림 3과 같이 이 주파수에 가까운 하나의 공진 피크를 포함합니다.</li>
	<li>그림 4와 같이 탱크 내부의 압력 필드를 표시합니다. 선택한 공진 모드는 음향 기포가 갇히는 컨테이너 내부에 적어도 하나의 압력 안티노드를 포함해야 합니다.</li>
	<li>탱크를 설계할 때 탱크 면을 단단히 닫기 위해 각 가장자리에 안내 홈이 있는 이동식 윗면을 설계하십시오. 탱크에 액체 매체를 채우기 위해 윗면에 작은 구멍을 뚫습니다.</li>
	<li>초음파 변환기(Langevin 유형, 31.2kHz 공칭 주파수)가 있는 수제 프레임 위에 물 탱크를 놓습니다. 초음파 젤을 사용하여 변환기를 탱크 바닥 벽에 연결합니다.</li>
	<li>탱크와 프레임 시스템을 마이크로메트릭 나사가 있는 3방향 변위 테이블 위에 놓습니다.</li>
	<li>탱크에 미세 여과, 탈염 및 물(탈기되지 않음, 부피 ~500mL, 산소 포화도 약 8mg· L-1)입니다. 알림: 탈기 대신 탈기되지 않은 물을 사용하면 실험 기간 동안 안정적인 기포를 유지할 수 있습니다. 탈기된 물을 사용하면 정류된(초음파 매개) 확산에 의해 약간 균형을 이루더라도 가스 확산으로 인한 기포 수축이 가속화됩니다.</li>
</ol>2. 기포 발생 및 음향 교정
<ol><li>레이저 유도 기포 핵 형성, 음향 여기 및 고속 기록에 사용되는 실험 설정을 준비합니다(그림 5a,b,c). 실험 설정은 (A) 음향 부상 시스템, (B) 레이저 전원 공급 장치 및 (C) 레이저 헤드, (D) 구면 오목 렌즈 1개, (E) 평면 오목 렌즈 1개와 비구면 렌즈 1개, (F) 고속 카메라, (G) 연속 발광 다이오드. 나중에, 액체 흐름의 측정을 위해(도 5d) (H) 하나의 연속파 레이저 소스, (I) 원통형 평면-오목 렌즈에 이어 제1 렌즈 뒤에 삽입되고 직교 축에 배향된 원통형 평면-오목 렌즈가 추가될 것이다.</li>
	<li>초음파 변환기를 함수 발생기에 연결합니다. 여기 신호를 정현파 파형, 연속파, 주파수 31.2kHz로 설정합니다. 진폭은 유일한 변수 매개 변수입니다.</li>
	<li>렌즈(D)를 레이저 헤드(C) 앞 약 6cm의 거리에 놓습니다.</li>
	<li>렌즈(E)를 렌즈(D) 앞 약 12cm의 거리에 놓습니다.</li>
	<li>레이저의 초점점이 물탱크 내부에 위치하도록 물탱크(A)를 배치하여 모든 레이저 펄스(5 -10mJ)에 대해 스파크를 생성합니다. 레이저 스파크는 목표 압력 양극 아래 약 3cm에 위치해야 합니다. 참고: 초음파(US)가 없으면 부력으로 인해 레이저 핵 기포가 윗면으로 올라갑니다.</li>
	<li>초음파 변환기를 켭니다. 기포가 더 이상 수직으로 상승하지 않고 압력 반대 노드쪽으로 벗어날 때까지 적용된 전압을 높이고 충분한 고압을 위해 갇히십시오.</li>
	<li>갇힌 기포를 관찰하기 위해 백라이트 조명(연속 발광 다이오드)과 고속 카메라를 설정합니다. 알림: 레이저 스파크로 새 기포를 핵으로 만들 때 기포가 포획 위치에 접근하는 궤적을 쉽게 포착할 수 있습니다.</li>
	<li>기포 궤적이 카메라의 초점면 내부에 유지되도록 물 탱크 내에서 레이저 스파크의 위치를 이동합니다.</li>
	<li>하나의 버블을 트래핑하고 프레임 크기 128 x 128 픽셀, 획득 속도 180 kHz 매개 변수를 사용하여 방사형 진동을 캡처합니다. 두 음향 주기에 걸친 큰 진폭의 방사형 진동의 예가 그림 6에 나와 있습니다. 일반적인 기포 크기는 30 내지 80 μm이다.</li>
	<li>수백에서 수천 개의 버블 진동을 포착하기 위해 3-30 밀리 초 동안 버블 방사형 진동을 기록합니다. 변환기의 인가 전압을 증가시키기 위해 이 기록을 반복합니다. 일반적인 인가 전압은 0 - 8V 범위입니다. 알림: 인가 전압을 수정할 때 갇힌 기포의 평형 위치가 수직으로 약간 이동합니다. 백라이트 조명과 카메라를 움직이지 않고 진동을 따라가려면 시스템(변환기 및 물 탱크)을 마이크로미터 정확도의 3방향 이동식 테이블에 놓습니다.</li>
	<li>초음파 트랜스듀서를 켜고 사후 분석을 위해 배경 이미지 하나를 캡처합니다.</li>
	<li>다음 절차에 따라 비디오 시리즈를 사후 처리합니다.<ol><li>실행 파일 VoltagePressure.exe를 실행합니다. 그림 7 에 표시된 인터페이스가 열립니다. 참고: 이 스크립트는 보충 문서로 사용할 수 있습니다.</li>
		<li>왼쪽 열에 물리적 및 실험적 매개 변수를 지정합니다 (그림 7A).</li>
		<li>오른쪽 하단 표에서 일련의 기록에 대해 적용된 전압 값을 지정합니다(그림 7B).</li>
		<li>버블 반경 분석 패널에서 로드 매개 변수(그림 7C)를 클릭하고 비디오 시리즈의 모든 파일이 포함된 폴더를 선택한 다음 배경 이미지(필수)를 선택합니다.</li>
		<li>모든 비디오를 한 번에 분석하거나, 자동을 클릭하거나, 단계별로 클릭하여 하나씩 선택할 수 있습니다.</li>
		<li>각 비디오 파일에 대해 버블 반경의 진화가 하나의 음향 기간에 걸쳐 그려지고 숫자 맞춤이 중첩됩니다. 빨간색 곡선은 선형화된 Rayleigh-Plesset 모델링에 해당합니다. 평형 기포 반경이 표시됩니다(그림 7D).</li>
		<li>수치 피팅에 따라 이 전압에 적용된 압력이 압력(전압) 그래프 패널에 표시됩니다(그림 7E). 적용된 압력의 값도 오른쪽 하단 표에 표시됩니다(그림 7B). 0 - 8 V 전압 역학에 해당하는 일반적인 적용 압력은 0 - 25 kPa입니다.</li>
		<li>모든 비디오가 처리되면 선형 회귀 버튼을 클릭하여 압력/전압 곡선의 선형 맞춤을 수행합니다. 데이터(전압 및 압력 값)는 현재 디렉토리에 있는 .txt 파일에 저장됩니다. 피팅의 기울기가 제공됩니다.</li>
	</ol></li>
</ol>3. 유착 기술
<ol><li>초음파 변환기를 켭니다. 적용된 볼륨을 설정하십시오tage 그림 8과 같이 불안정 구역의 수치 압력/반경 다이어그램에 따라 해당 음향 압력이 표면 불안정성을 유발할 수 있도록 충분히 높습니다.</li>
	<li>거품을 핵으로 만들면 거품이 트래핑 위치로 이동합니다. 갇힌 기포가 구형 진동만 나타내는 경우 다음 단계로 이동합니다. 비구형 진동이 나타나는 경우:<ol><li>기포가 상단 표면으로 올라갈 수 있도록 초음파 전원을 끕니다.</li>
		<li>레이저 에너지를 수정하거나(몇 mJ 이상으로 미세 조정하여) 변환기 전압을 줄입니다.</li>
		<li>초음파 전원을 켭니다.</li>
		<li>새 거품을 핵으로 만듭니다.</li>
		<li>기포 크기가 순전히 구형 진동으로 이어질 때까지 이 절차를 반복합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>갇힌 기포가 구형 진동만 나타나면 새로운 레이저 스파크를 생성합니다. 새 기포가 트래핑 위치에 도달하면 합체가 발생합니다.</li>
	<li>합쳐진 기포가 구형 진동만 나타내면 새 기포를 생성합니다. 비구형 변형이 발생하는 기포 반경에 도달하기 위해 다중 유착이 필요할 수 있습니다. 비구형 진동으로 이어지는 기포 합체의 예가 그림 9에 나와 있습니다.</li>
	<li>합쳐진 기포가 비구형 진동을 나타내면 약 3-30밀리초 동안 기포 진동을 기록합니다.</li>
	<li>형상 진동의 모드 번호는 그림 10을 참조하여 식별한다.</li>
</ol>4. 유체 유량 측정
<ol><li>캐비테이션 마이크로스트리밍 측정의 경우, 기포 핵 형성 전에 형광 추적자 입자를 물에 추가해야 합니다. 이 연구에서는 0.71μm 입자가 사용됩니다(재료 표). 음향적으로 투명하고(음향 방사력의 영향을 받지 않음) 흐름을 정확하게 따라갈 수 있을 만큼 충분히 작을 뿐만 아니라 레이저 광을 산란시키기에 충분히 큽니다. 물 탱크의 부피에 약 2.104 입자/mm3에 해당하는 세 방울을 사용하십시오.</li>
	<li>측정하기 전에 (빠른 시간 척도) 기포 역학과 (낮은 시간 척도) 유체 흐름을 모두 캡처하기 위해 다음 매개변수를 설정하십시오.<ol><li>카메라 녹화 디스크의 파티션을 만듭니다.</li>
		<li>또는 기록 매개 변수를 다음과 같이 정의합니다.<ol><li>프레임 속도 180kHz, 프레임 크기 128 x 128픽셀, 노출 시간 1μs(버블 인터페이스의 다이내믹 1회 기록 기준)</li>
			<li>프레임 속도 600Hz, 프레임 크기 1024 x 768픽셀, 염료 추적자의 움직임을 한 번 기록하는 데 노출 시간 1ms.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>연속 레이저를 사용하십시오.</li>
	<li>레이저 빔이 직교축을 중심으로 한 원통형 평면-오목 렌즈와 원통형 평면-볼록 렌즈를 연속적으로 통과시켜 얇은 레이저 시트를 만듭니다. 약 160μm의 빔 폭을 얻을 수 있습니다.</li>
	<li>이미징 평면에 해당하도록 레이저 시트를 설정합니다.<ol><li>레이저 시트가 이미징 평면과 평행하게 이동할 수 있도록 이동식 장치에 레이저를 설정합니다.</li>
		<li>조명된 입자가 카메라에 보이도록 위치를 조정합니다.</li>
		<li>거품을 핵으로 만들고 가둡니다.</li>
		<li>거품 뒤에 그림자가 보이도록 레이저 시트의 위치를 더 조정하십시오. 기포는 이제 그림 11과 같이 레이저 시트 내부에 있습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>안정적으로 진동하는 모양 모드가 분명해질 때까지 버블 합체를 유도합니다.</li>
	<li>버블 다이내믹스와 마이크로스트리밍 사이를 오가며 여러 번 녹음합니다. 알림: 필요하지 않을 때는 연속 레이저를 끄십시오. 가열은 원치 않는 대류 흐름을 생성할 수 있습니다. 또한 스트리밍 유량 측정을 수행할 때 발광 다이오드를 끄십시오.</li>
</ol>5. 캐비테이션 마이크로스트리밍 패턴을 시각화하기 위한 이미지 처리
<ol><li>Java에서 이미지 처리 및 분석을 위한 시각화 소프트웨어 ImageJ를 설치합니다. 또한 고속 카메라 파일을 열려면 플러그인 CINE 파일 리더를 설치하십시오.</li>
	<li>파일 | 가져오기 | CineFile을 선택하고 파티클 모션의 캡처가 포함된 비디오 *.cine을 선택합니다.</li>
	<li>새 창에서 가상 스택 사용을 선택하면 이제 비디오가 로드됩니다.</li>
	<li>스트리밍 패턴을 표시하지 않고 파티클 모션을 관찰하려면 Image | 조정 | 밝기/대비 | 자동. 이제 어두운 배경이 자동으로 최적화된 이미지로 바뀝니다.</li>
	<li>결과 패턴을 표시하려면 이미지 | 스택 | Z Project(Z 프로젝트)를 선택하고 이미지 투영에 대한 Max Intensity(최대 강도) 옵션을 선택합니다. 스택의 모든 이미지에 대해 최대값을 포함하는 픽셀이 있는 출력 이미지가 표시됩니다. 필요한 경우 5.4단계에서 설명한 대로 이미지 대비를 조정합니다. 참고: 그림 12b 및 그림 12d에 표시된 것과 같은 스트리밍 패턴을 얻을 수 있습니다.</li>
</ol>

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제시된 절차는 정상 상태의 대칭 제어 기포 모양 진동을 유발하기 위해 기포 유착을 사용하여 이러한 진동에 의해 유도된 장기 유체 흐름을 연구할 수 있도록 하는 것으로 구성됩니다. 이 기술의 주요 과제는 경계에서 멀리 떨어진 기포가 갇히기 위해 비구형 진동을 제어하는 것입니다.
문헌에서 제안된 현존하는 기술들의 대부분은 기판-부착 기포(7,16)에 초점을 맞추었는데, 이는 기포 중심의 운동의 부재가 음향 시간 척도(최대 수백 kHz)에서 그 계면의 캡처를 더 쉽게 하기 때문이다. 이 경우 형상 모드를 트리거하는 데 필요한 압력 임계값을 초과하는 것은 쉬운 작업이지만 기판에 의해 유도된 대칭 파괴로 인해 형상 진동 제어가 복잡합니다. 벽-부착된 기포는 특정 접촉각으로 기판과 접촉하여, 비대칭 표면 모드(21)의 트리거링을 유도한다. 단일...

의학에서 투여 된 약물은 원하는 목표에 도달하기 전에 생체 시스템의 많은 장애물을 통과해야합니다. 그러나 대부분의 약물은 혈류에서 빠르게 제거됩니다. 표적화 효율이 낮고 세포막을 쉽게 통과할 수 없어 약물 전달이 비효율적입니다. 현재, 초음파와 함께 마이크로버블을 사용하는 것은 병리학적 조직과 세포에 약물과 유전자를 비침습적이고 정밀하며 표적으로 전달하기 위한 혁신적인 방법으로 제안되었다1. 이 접근법에서 미세 기포는 유리 약물이 기포 현탁액과 함께 주입되거나 표면에 적재되는 운반체 역할을 할 수 있습니다. 미세 기포는 또한 세포와 상호 작용하기 위해 초음파 에너지를 다시 집중시키는 로컬 벡터 역할을 할 수 있습니다. 기본적으로 초음파 노출 하에서 기포는 안정적으로 압축되고 팽창하며, 이는 액체 흐름을 생성하여 주변 물체에 대한 전단 응력을 발생시키는 안정 캐비테이션 (stable cavitation)이라고합니다. 미세 기포는 또한 비선형으로 진동하고 관성 캐비테이션 체제에서 붕괴될 때까지 팽창하여 붕괴 부위2에서 방사상으로 전파되는 충격파를 생성할 수 있습니다. 안정 또는 관성 캐비테이션은 세포막의 투과를 향상시켜 세포 내로의 약물의 내재화를 향상시키는 것으로 나타났다3.
치료 응용 분야에서 기포-세포 상호 작용의 메커니즘을 이해하는 것은 매우 중요하지만 과학적 측면과 기술적 측면 모두에서 우리의 지식이 발전하는 것을 방해하는 몇 가지 장벽이 있습니다. 첫째, 기포에 의한 기계적 자극에 반응하는 세포의 역학을 포착하는 것은 매우 어렵다4. 음향 시간 척도에서 1차 미세 기포 진동은 막 채널의 활성화로 이어져 생물학적 경계면을 가로지르는 분자 통과를 촉진할 수 있습니다. 이것은 "세포 마사지"라고도하는 세포막의 직접적인 진동을 통해 발생합니다.5. 직접적인 기계적 스트레스에 따른 채널 활성화는 초음파 노출 중 및 후에 세포막의 전기 생리학적 특성을 측정하는 패치 클램프 기술을 사용하여 입증되었습니다6. 음향 시간 척도에서 기포 유도 세포 역학(세포막의 완전한 변형 영역을 의미)을 측정하면 세포막에 기공을 유도하는 데 필요한 막 면적 확장 Δ A/A의 임계값에 대한 통찰력도 얻을 수 있습니다7. 두 번째 장벽은 미세 기포에 의한 세포 용해를 피하기 위해 붕괴 기포 영역을 제어하는 것입니다. 기포 붕괴 및 유도된 마이크로제트는 막 천공이 발생하는 메커니즘으로 확인되었습니다 8,9. 일단 투과되면 세포막은 지질 이중층의 칼슘 자가 밀봉과 세포내 소포의 융합을 통해 복구된다9. 기포 붕괴의 발생은 또한 세포에 치명적인 손상을 입히고 주변 세포에 불필요한 부작용을 유발할 수 있습니다. 초음파 매개 혈액뇌장벽 개방과 같은 민감한 응용 분야에서는 관성 기포 붕괴를 피해야 한다는 것이 일반적으로 받아들여지고 있다10.
그러므로, 현재 미세 기포11의 안정적인 진동을 보장하기 위해 수동 캐비테이션 모니터링 및 제어와 결합된 초음파 방출 시퀀스의 설계에 막대한 노력이 기울여지고 있다. 이 안정한 영역에서, 안정적으로 진동하는 기포는 세포막7에 대한 공간적 표적 전단 응력을 촉진함으로써 막 투과화를 촉발하는 데 강력한 역할을 한다는 가설이 세워졌다. 전단 응력은 진동하는 기포 근처에서 생성된 액체 흐름으로 인해 발생합니다. 이러한 액체 흐름을 캐비테이션 마이크로스트리밍(cavitation microstreaming)이라고 하며, 위에서 언급했듯이 세포외 분자의 흡수를 향상시키는 몇 가지 가능한 메커니즘 중 하나입니다. 시험관내 생물학적 형질감염 분석(in-vitro biological transfections)분석(12)과 같은 기포 또는 세포의 현탁액을 다룰 때, 마이크로스트리밍에 의한 투과화는 기포 붕괴에 의한 투과화보다 훨씬 더 효율적일 수 있다. 이것은 간단한 기하학적 고려로 나타낼 수 있습니다. 세포 현탁액에서, 현탁 세포의 대다수가 충분히 큰 기계적 효과 (막 투과로 이어짐)에 제출되는 경우 sonoporation이 효율적입니다. 기포 붕괴는 기포-벽 축(13 ) 또는 기포-기포와 기포-세포선이 이들의 질량 중심(14)을 연결하는 것과 같은 등방성 대칭 파괴 방향을 따라 향하는 것으로 알려져 있다. 따라서 생산 된 마이크로 제트는 세포와 기포 중심을 연결하는 유한 수의 선을 따라 공간적으로 국소화 된 현상입니다. 세포 및 기포 농도 및 기포 세포 거리에 따라 이 효과는 부유 세포 전체 수를 투과화하는 데 가장 효율적이지 않을 수 있습니다. 대조적으로, 캐비테이션 마이크로 스트리밍은 기포 반경에 비해 큰 공간 확장과 함께 느린 시간 척도에서 발생하는 현상입니다. 또한 액체 흐름은 기포 주위에 분포되어 있으므로 매우 긴 범위에서 더 많은 수의 세포에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 진동 기포 주변에서 생성된 캐비테이션 마이크로스트리밍을 이해하는 것은 세포에 가해지는 기포 유발 전단 응력을 제어하고 정량화하기 위한 전제 조건입니다.
그렇게 하기 위해, 예비 단계는 생성된 액체 흐름이 기포 계면(15, 16)의 운동에 의해 유도됨에 따라, 초음파-구동 기포의 구형 및 비구형 진동을 제어하는 것으로 구성된다. 특히, 미세 기포의 형상 진동이 촉발되고 안정적으로 유지되어야 합니다. 또한, 버블 형상 진동의 방향은 버블 계면 역학과 유도된 마이크로스트리밍 패턴 사이의 상관관계를 적절하게 분석하기 위해 제어되어야 합니다. 기존 문헌을 요약하면 캐비테이션 유도 마이크로스트리밍의 상세한 실험 결과는 표면에 부착된 기포에 대해서만 사용할 수 있음이 분명합니다. 벽부착형 마이크로버블은 초고속 현미경 시스템에서 마이크로미터 규모의 정확한 계면 역학 및 세포 상호 작용을 평가하는 데 일반적으로 사용됩니다. 이러한 구성은 세포막17,18,19 상에 위치된 진동 마이크로버블을 고려할 때 치료적으로 관련된다. 그러나, 기판-부착 기포에 대한 연구는 기포 동역학의 분석을 더 복잡하게 만들 수 있는데, 부분적으로는 접촉선 동역학(20)의 복잡한 특성과 비대칭 형상 모드(21)의 트리거링으로 인한 것이다. 의료 및 생물학적 응용 분야에서 벽에 부착되지 않은 기포는 일반적으로 작은 용기와 같은 제한된 형상에서 발견됩니다. 이는 기포 역학과 형상 불안정성에 상당한 영향을 미칩니다. 특히, 근처에 벽이 존재하면 형상 모드 번호와 기포 크기(22)에 따라 더 낮은 압력 값으로 트리거되는 형상 모드에 대한 압력 임계값이 이동합니다. 벽은 또한 생성된 흐름(23)에 대해 아마도 더 높은 강도로 기포-유도된 마이크로스트리밍에 영향을 미친다.
미세 기포가 경험할 수 있는 모든 가능한 시나리오(자유 또는 부착, 벽에 가까움, 붕괴 또는 안정적으로 진동) 중에서 우리는 경계에서 멀리 떨어진 단일 기포의 비구형 역학을 조사할 것을 제안합니다. 실험 설정은 기포를 포획하기 위해 스탠딩 초음파가 사용되는 음향 부상 시스템(24)에 기초한다. 이 시나리오는 예를 들어 초음파 형질주입 챔버에 부유 기포와 세포의 집합체가 공존하는 의료 응용 프로그램과 일치합니다. 기포와 세포가 너무 가깝지 않은 한, 세포의 존재는 기포 계면 역학에 영향을 미치지 않는다고 가정합니다. 세포가 캐비테이션으로 인한 마이크로스트리밍의 루프와 같은 궤적을 따를 때 주기적으로 기포 위치에 접근하고 반발하며 세포 존재가 스트리밍 패턴이나 평균 속도에 영향을 미치지 않는다고 가정할 수 있습니다. 또한, 경계에서 멀리 떨어진 단일 기포로부터의 비구형 역학 및 유도 된 마이크로 스트리밍은 이론적 관점에서 잘 알려져 있습니다. 기포에 의한 액체 흐름을 기포 윤곽 역학에 연결하려면 기포 계면 역학을 정확하게 특성화해야 합니다. 이를 위해서는 치료에 사용되는 것과 관련하여 실험 연구에서 시공간 규모를 조정하여 낮은 주파수에서 여기된 큰 기포를 사용하여 일반적인 고속 카메라(100만 프레임/초 미만)로 획득할 수 있도록 하는 것이 바람직합니다. 코팅되지 않은 기포를 고려할 때, 주어진 모드 n의 고유 주파수 ωn은 25로 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62044/62044eq1.jpg"> 기포 크기와 관련된다. 이러한 반지름-고유주파수 관계는 쉘링된 기포(26)를 고려할 때 약간 변형되지만, 고유주파수 ωn의 크기 차수는 동일하게 유지된다. 따라서 30kHz 초음파 필드에서 평형 반경 ~ 50μm의 기포를 조사하는 것은 Dollet et al.27이 제안한 바와 같이 1.7MHz 필드에서 반경 ~ 3μm의 코팅 된 기포를 연구하는 것과 유사합니다. 따라서 유사한 모양 모드 번호와 그에 따른 마이크로스트리밍 패턴이 예상됩니다.
버블 계면의 비구형 진동을 트리거하려면 그림 1과 같이 반경에 따라 달라지는 특정 압력 임계값을 초과해야 합니다. 기존의 실험 기법은 단계적 압력 증가(28) 또는 표면 모드(29)의 주기적인 개시 및 소멸을 담당하는 변조된 진폭 여기(modulated-amplitude excitation)에 의해 표면 모드(그림 1의 경로 (1)으로 설명됨)를 유발하기 위해 음향 압력의 증가에 의존한다. 이러한 기술의 주요 단점은 (i) 이미징 평면에 있도록 제어할 수 없는 표면 진동의 대칭 축의 무작위 방향, (ii) 더 큰 시간 척도에서 유도된 액체 흐름의 분석을 어렵게 만드는 기포 모양 진동의 짧은 수명, 및 (iii) 불안정한 형상 모드의 빈번한 트리거링입니다. 그림 2의 경로 (1)에서 볼 수 있듯이 반경/압력 맵의 일정한 음압에서 압력 임계값을 교차하는 대체 기술을 제안합니다. 이를 위해서는 불안정 영역에 있도록 기포 크기를 늘려야 합니다. 이러한 증가는 버블 유착 기술에 의해 수행됩니다. 처음에는 구형으로 진동하는 두 개의 미세 기포의 합체가 하나의 변형된 기포를 생성하기 위해 이용됩니다. 합쳐진 기포의 음압과 기포 크기가 불안정 영역에 있으면 표면 모드가 트리거됩니다. 우리는 또한 유착 기술이 정상 상태 영역에서 안정적인 모양 진동을 유도할 뿐만 아니라 접근하는 두 기포의 직선 운동에 의해 정의되는 제어된 대칭 축을 유도한다는 것을 입증했습니다. 몇 분 동안 안정적인 형상 진동이 보장되기 때문에 얇은 레이저 시트로 조명된 형광 미세 입자로 액체 매체를 파종하여 기포 유도 유체 흐름을 분석할 수 있습니다. 버블 계면 부근에서 고체 미세입자의 움직임을 기록하는 것은 유도된 유체 흐름(30)의 패턴을 식별할 수 있게 해준다. 기포 모양 진동을 유발하여 시간 안정성이 있는 유체 흐름을 유도하는 전반적인 원리는 그림 2에 나와 있습니다.
다음 프로토콜에서는 유착 기술을 통해 안정적인 기포 모양 진동을 생성하는 데 필요한 단계를 간략하게 설명하고 유체 흐름의 측정을 설명합니다. 여기에는 음향 부상 시스템의 설계, 음향 보정, 기포 핵 형성 및 유착 기술, 기포 계면 역학 및 주변 유체 흐름 측정, 이미지 처리가 포함됩니다.

<table><tbody><tr><td>비구면 렌즈</td><td>Thorlabs</td><td>AL4050</td><td>초점 렌즈 40mm</td></tr><tr><td>연속파 레이저 소스</td><td>CNI</td><td>MLL6FN</td><td>파장 532nm, 에너지 400mW의 DPSS 레이저</td></tr> 원<tr><td>통형 평면 - 오목 렌즈</td><td>Thorlabs</td><td>LJ1277L1-A</td><td>초점 -25?4mm</td></tr><tr><td>원통형 평면 - 오목 렌즈</td><td>Thorlabs</td><td>LK1900L1</td><td>초점 렌즈 250mm</td></tr><tr><td>형광 입자</td><td>Duke Scientific</td><td>R700</td><td>적색 고분자 형광 마이크로 스피어</td></tr><tr><td>함수 생성기</td><td>애질런트</td><td>HP33120</td><td>초음파 변환기에 공급되는 기능 생성기</td></tr><tr><td>고속 카메라</td><td>Vision Research</td><td>Phantom v12.0</td><td>최대 1Mfps의 고속 녹음</td></tr><tr><td>액체 매체</td><td>Carlo Erba</td><td>분석용 물</td><td>탈염수, 탈기되지 않은 물</td></tr><tr><td>부상 챔버의 음향 필드를 시뮬레이션하기위한</td> <td>다중 물리 소프트웨어</td><td>Comsol</td><td>None</td> Softwate</tr><tr><td>: Yag 펄스 레이저</td><td>New Wave Research</td><td>Solo III-15</td><td>5 ns 펄스 지속 시간, &lambda; = 532 nm, 3.5 mm 빔 직경, 최대 50 mJ</td></tr><tr><td>평면 오목 렌즈</td><td>Thorlabs</td><td>N-BK7</td><td>렌즈 초점 125 mm</td></tr><tr><td>구형 오목 렌즈</td><td>Thorlabs</td><td>N-SF11</td><td>초점의 이중 오목 렌즈 -25mm</td></tr><tr><td>초음파 변환기</td><td>SinapTec</td><td>맞춤형</td><td>공칭 주파수 31kHz, 활성 영역 35mm</td></tr><tr><td>직경 시각화 소프트웨어</td><td>NIH</td><td>ImageJ</td><td>Java</td></tr><tr><td>XY 선형 스테이지</td><td>Newport</td><td>M-406</td><td>마이크로미터 나사가 있는 변위 스테이지</td></tr><tr><td>Z축 선형 스테이지</td><td>Edmund Optics</td><td>62-299</td><td>마이크로미터 스크류를 사용한 수직 변위 스테이지</td></tr></tbody></table>

음향 부상 시스템에서 nonspherical bubble oscillations에 의한 마이크로스트리밍 유도

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

생물학적 장벽 근처에 위치할 때 진동하는 미세 기포는 세포막 투과성을 증가시켜 약물 및 유전자 내재화를 허용할 수 있습니다. 실험적 관찰에 따르면 이러한 장벽의 일시적인 투과화는 캐비테이션 마이크로스트리밍에 의해 세포 조직에 가해지는 전단 응력 때문일 수 있습니다. 캐비테이션 마이크로 스트리밍은 진동하는 초음파 미세 기포 주변에서 발생하는 소용돌이 흐름의 생성입니다. 이러한 액체 흐름을 생성하기 위해 기포 진동은 순전히 구형 진동에서 벗어나 병진 불안정성 또는 형상 모드를 포함해야 합니다. 기포에 의한 유동 및 주변 표면의 전단 응력에 대한 실험적 연구는 안정적이고 제어 가능한 방식으로 미세 기포의 형상 변형을 포착하기 어렵기 때문에 범위가 제한되는 경우가 많습니다. 우리는 대칭 제어 비구형 진동 연구를 위한 음향 부상 챔버의 설계를 설명합니다. 이러한 제어는 충분히 강렬한 초음파 필드에서 접근하는 두 개의 기포 사이의 유착 기술을 사용하여 수행됩니다. 비구형 진동의 제어는 자유 표면 진동 미세 기포의 제어된 캐비테이션 마이크로스트리밍으로 가는 길을 열어줍니다. 하이 프레임 레이트 카메라를 사용하면 음향 시간 척도에서 비구형 기포 역학과 더 낮은 시간 척도에서 액체 흐름을 유사 동시에 조사할 수 있습니다. 매우 다양한 유체 패턴이 얻어질 수 있으며 버블 계면의 모달 함량과 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. 우리는 계면 역학에 여러 모드가 포함되어 있는 경우 고차 형상 모드도 장거리 유체 패턴을 생성할 수 있음을 입증하여 표적 및 국소 약물 전달을 위한 비구형 진동의 가능성을 강조합니다.

시간 안정성, 대칭 제어 비구형 진동으로 이어지는 기포 합체의 완전한 순서가 그림 9에 나와 있습니다. 두 개의 구형 진동 기포의 접근 단계는 두 기포 사이의 얇은 액체 필름이 파열될 때 끝납니다. 합체 전 마지막 단계에서 버블 인터페이스가 구형에서 벗어난다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 두 기포는 접근의 직선 운동 경로를 따라 타원체 모양으로 늘어납니다. 합체의 순간 이후에, 하나의 기포가 남아 몇 개의 음향 기간 동안 복잡한 모양의 비 구형 진동을 나타냅니다. 이것은 모든 동적 시스템의 여기에 따른 일시적인 진동 영역에 해당합니다. 12 내지 100개의 음향 주기 후에, 형상 진동은 정상 상태 진동 상에서 안정화되며, 여기서는 도 10의 해석으로부터 추론될 수 있는 바와 같이, 모드 4에 대해 도시된다. 이 모드는 몇 밀리초에서 몇 분 동안 수천 개의 음향 기...

두 기포 사이의 유착 기술을 기반으로 하는 단일 트랩 음향 기포의 모양 진동을 제어하기 위해 빠르고 신뢰할 수 있는 기술이 제안됩니다. 정상 상태의 대칭 제어 기포 모양 진동을 통해 기포 계면 부근에서 생성된 유체 흐름을 분석할 수 있습니다.

음향 부상 시스템에서 Nonspherical Bubble Oscillations에 의한 마이크로스트리밍 유도

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

기포에 의한 기계적 작용에 대한 이해는 많은 엔지니어링 및 치료 응용 분야에서 매우 중요합니다. 버블 진동과 주변의 유도 흐름을 제어하는 것은 여전히 어려운 작업입니다. 제안된 기술은 음향 부상기에 갇힌 단일 기포의 형상 진동을 제어할 수 있습니다.그런 다음 유도된 흐름이 시각화되고 기포 역학과 상관됩니다. 초음파 치료 응용 실험실의 학생 인 Estelle Mezianai가 절차를 시연 할 것입니다. 레이저의 초점점이 물 탱크 내부에 위치하도록 발진기의 물 탱크를 배치하여 기포 생성을 시작하여 5-10 밀리 줄 레이저 펄스마다 스파크가 발생합니다.초음파 변환기를 켜고 적용된 전압을 높이십시오.tage 기포가 더 이상 수직으로 상승하지 않고 압력 반대 노드쪽으로 벗어나 갇히게 될 때까지. 백라이트 조명을 연속 발광 다이오드로 설정하고 갇힌 기포를 관찰할 수 있도록 고속 카메라를 선택합니다. 버블을 트래핑하고 방사형 진동을 캡처하려면 프레임 크기를 128 x 128 픽셀로 설정하고 획득 속도를 180킬로헤르츠로 설정합니다.적용된 변환기 전압이 0V에서 8V로 증가하는 상태에서 3밀리초에서 30밀리초까지 기포 방사형 진동을 기록합니다. 마지막 녹음 후 초음파 변환기를 끄고 사후 분석을 위해 배경 이미지 하나를 캡처합니다. 비디오 시리즈의 사후 처리를 위해 VoltagePressure를 실행합니다.exe 파일. 물리적 및 실험적 매개변수와 일련의 기록에 대한 인가 전압 값을 지정합니다. 버블 반경 분석 패널에서 매개변수 로드를 클릭하고 모든 비디오 시리즈 및 배경 이미지 파일이 포함된 폴더를 선택합니다.각 비디오 파일에 대해 버블 반경의 진화가 하나의 음향 기간에 걸쳐 그려지고 숫자 맞춤이 중첩됩니다. 모든 비디오가 처리되면 선형 회귀를 클릭하여 압력 전압 곡선의 선형 피팅을 수행합니다. 데이터는 현재 디렉토리 내의 txt 파일에 저장됩니다.기포 합체를 유도하려면 초음파 변환기를 켜고 적용된 볼륨을 설정하십시오.tage 해당 음향 압력이 표면 불안정성을 유발할 수 있도록 충분히 높게 기포를 핵으로 만든 다음 트래핑 위치로 이동합니다. 갇힌 기포가 구형 진동만 나타나면 새로운 레이저 스파크를 생성합니다. 새 기포가 트래핑 위치에 도달하면 유착이 발생합니다. 유착된 기포가 스파크 후 구형 진동만 나타내면 새 기포를 생성합니다.그러나 비구형 변형이 발생하는 반경에 도달하기 위해 여러 합체가 필요할 수 있습니다. 합쳐진 기포가 구형이 아닌 진동을 나타내면 약 3-30 밀리 초 동안 기포 진동을 기록하고 그림을 사용하여 기포의 모양 진동의 모드 번호를 식별합니다. 유체 흐름 측정을 수행하려면 프레임 속도를 180킬로헤르츠로, 프레임 크기를 128 x 128픽셀로, 노출 시간을 1마이크로초로 설정하여 버블 인터페이스의 역학을 기록합니다.염료 추적기의 움직임을 기록하려면 프레임 크기를 1024 x 768 픽셀로, 프레임 속도를 600Hz로, 노출 시간을 1밀리초로 설정합니다. 조명된 입자가 카메라에 보이도록 레이저 시트의 위치를 조정하고 그림과 같이 거품을 핵으로 만들고 가둡니다. 레이저 시트의 위치를 추가로 조정하여 기포 뒤에 그림자가 보이도록 하고 안정적으로 진동하는 모양 모드가 분명해질 때까지 기포 합체를 유도합니다.그런 다음 여러 녹음을 수집하여 버블 다이내믹스와 마이크로 스트리밍 사이를 전환합니다. 이미지 처리 및 분석을 위해 캡처된 파티클 모션이 포함된 시네 파일을 이미지 J로 가져오고 이미지, 조정, 밝기, 대비 및 자동을 클릭합니다. 자동으로 최적화된 이미지가 어두운 배경을 대체합니다.결과 패턴을 표시하려면 이미지, 스택 및 Z 투영을 클릭하고 이미지 투영에 대한 최대 강도 옵션을 선택합니다. 스택의 모든 이미지에 대해 최대값을 포함하는 픽셀이 있는 출력 이미지가 표시됩니다. 여기에 표시된 것은 관찰할 수 있는 시간 안정 대칭 제어 비구형 진동으로 이어지는 완전한 기포 합체 시퀀스입니다.두 개의 구형 진동 기포의 접근 단계는 두 기포 사이의 얇은 액체 필름이 파열될 때 끝납니다. 합체의 순간 후에, 복잡한 형상을 가진 비 구형 진동을 나타내는 단일 기포가 남아 있으며, 이는 동적 시스템의 여기에 따른 일시적인 진동 체제에 해당합니다. 12에서 100 음향 기간 후에 진동 모양은 정상 상태 진동으로 안정화됩니다.기포가 갇히고 일정한 모양의 진동을 나타내면 기포 부근 내에서 형광 추적자의 움직임을 캡처할 수 있습니다. 형상 진동이 발생하면 기포 계면 부근에서 액체 운동이 발생합니다. 음향 시간 척도에서 기포 계면의 역학과 더 낮은 시간 척도에서 입자의 움직임에 대한 대안적인 기록은 주어진 형상 모드 번호에 대한 마이크로 스트리밍 패턴의 상관 관계를 허용합니다.버블 인터페이스의 다이내믹에 보조 모드가 포함된 경우 특정 패턴을 생성하는 모드 간의 다중 상호 작용으로 인해 마이크로 스트리밍 흐름이 크게 수정될 수 있습니다. 흐름 패턴을 주어진 모양 진정제에 안전하게 연결하려면 거품 역학과 흐름 동작을 번갈아 캡처해야 한다는 것을 기억하십시오. 이러한 발견은 형질전환 매개 약물 전달과 같은 신경병증 응용 분야에서 실용적일 수 있습니다.실제로, 음향 기포는 세포막에 흐름에 의한 순전한 응력을 가하여 투과를 유도하는 것으로 알려져 있습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

이 비디오에서 우리는 먼저 표면 탄성파 (SAW) 음향 역류 장치의 제조 및 운영 절차에 대해 설명합니다. 우리는 그 SAW 장치를 펌핑 내 성적 유동 가시화하고 복잡한 흐름의 정량 분석​​ 모두 허용 실험 설정을 보여줍니다.

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전원 초음파에 제출 액체의 음향 공동화 음파 발광으로 알려진 특이한 화학 반응성 및 발광의 원점입니다 붕괴 거품 안에 과도 극한 상황을 만듭니다. 불활성 기체의 존재하에, 비평 형 플라즈마가 형성된다. 거품 붕괴에 의해 생성 된 "핫"입자와 광자 용액에 종을 자극 할 수 있습니다.

분자, 이온, 및 음향 공동 현상과 고체 입자를 활성화

이 프로토콜은 미세유체 소자를 사용하여 자동화된 소량(0.15–1.5ml) 입자 분리를 수행하기 위한 시스템 아키텍처를 설명하고 음향 유체 소자 성능 및 작동을 최적화하는 방법에 대해 설명합니다.

미세 유체 정밀 작은 볼륨 샘플 처리를위한 플랫폼 및 음향 마이크로 디바이스로 구분 생물 입자 크기의 사용

Acoustofluidic 장치는 조작 집중 정지 마이크로 및 나노 요소를 분리하는 미세 유체 채널 내에서 초음파를 사용합니다. 이 프로토콜은 피복 유체의 도움없이 중앙 유선형 입자를 집중 벌크 음향 정상파와 같은지지 장치의 제조 및 동작을 설명한다.

제조 및 Acoustofluidic 장치의 작동은 입자의 초점 쉬스에 대한 대량 음향 서 파도 지원

미세유체 칩을 제작하여 탠덤 버블 생성을 위한 한 쌍의 금색 점과 근처의 단세포 패터닝을 위한 피브로넥틴 코팅 섬을 생성했습니다. 그 결과 생성된 유동장은 입자 이미지 속도계로 특징지어졌으며 세포막 반작용, 막 변형 및 세포 내 칼슘 반응을 포함한 다양한 생체 효과를 연구하는 데 사용되었습니다.

단일 세포 수준에서 캐비테이션 버블 (들) -cell 상호 작용 및 결과 Bioeffects을 조사하기위한 표면 패터닝와 마이크로 유체 시스템

조밀한 액체의 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 실험적으로 접근 가능한 아날로그 방식 제공 됩니다. 기술은 진동, 높은 회복 곡 식 더미의 입자 이미지 velocimetry를 사용 하 고 동적 프로세스 알려지고 강력 하 게 상호 작용, 높은 밀도 가스 및 액체에 예측의 직접적이 고 거시적인 관찰을 수 있습니다.

조밀한 가스 및 액체 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 아날로그 거시적인 기술

듀얼 주파수 여기 미세 채널에 미를 조작 하기 위한 프로토콜 제공 됩니다.

듀얼 주파수 업무가 표면 음향 파도 서 서 Microparticle 조작

리프오프 포토리소그래피, 나노 깊이 반응성 이온 에칭 및 실온 플라즈마를 통해 음향 나노 유체학용 리튬 니오베이트에 표면 음향파 작동 장치를 통합하여 나노 높이 채널의 제조를 시연합니다. 단결정 리튬 niobate의 표면 활성화 다층 결합, 산화물에 리튬 niobate 결합에 유사하게 유용한 공정.

음향 나노 유체학용 리튬 니오바테를 통한 표면 음향파 작동을 통합한 나노높이 채널 제조

리튬 니오바테상 플레이트 전극의 직류 스퍼터링을 통한 압전 두께 모드 트랜스듀서의 제조가 설명된다. 또한, 트랜스듀서 홀더와 유체 공급 시스템으로 안정적인 작동을 달성하고 특성화는 임피던스 분석, 레이저 도플러 진동, 고속 이미징 및 레이저 산란을 이용한 액적 크기 분포를 통해 입증된다.

원자화 및 부동 유체학을 위한 두께 모드 압전 장치의 제조 및 특성화

제시된 프로토콜은 그들의 활성화 기계장치 및 그들의 생체 효력을 포함하여 초음파 트리거한 약 납품 응용을 위해 디자인된 형광 표지마이크로버블의 반응을 특성화하기 위하여 이용될 수 있습니다. 이 백서는 관련 길이및 시간대를 포착하기 위해 수행된 다양한 시험관 내 및 생체 내 현미경 기술을 다룹니다.

초음파 트리거 약물 방출을 위한 형광 표지 마이크로 버블의 특성화를 위한 다중 시간 척도 현미경 검사법

이 프로토콜은 마이크로 채널에서 10-1000Hz의 고조파 진동 흐름을 생성하는 편리한 방법을 보여줍니다. 이는 컴퓨터 제어 스피커 다이어프램을 모듈식 방식으로 마이크로채널에 인터페이싱하여 수행됩니다.

마이크로채널에서 서브킬로헤르츠 진동 흐름의 생성을 위한 외부 드라이버의 조립 및 특성화

학습하세요 음향 부상 시스템에서 비구형 기포 진동을 제어하여 미세유동을 유도하는 방법을. 고속 촬영과 이미지 분석을 통해 기포 역학과 유동 패턴의 상관관계를 밝히고, 이를 활용한 표적 약물 전달 기술을 개발합니다.

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