Indukcja mikrostrumieniowania przez niesferyczne oscylacje pęcherzykowe w systemie lewitacji akustycznej
May 9th, 2021
Zaproponowano szybką i niezawodną technikę kontrolowania oscylacji kształtu pojedynczej, uwięzionej bańki akustycznej, która opiera się na technice koalescencji między dwoma bąbelkami. Oscylacje kształtu pęcherzyków w stanie ustalonym, kontrolowane symetrią umożliwiają analizę przepływu płynu generowanego w pobliżu granicy faz pęcherzyków.
Zrozumienie mechanicznego działania pęcherzyków powietrza ma kluczowe znaczenie w wielu zastosowaniach inżynieryjnych i terapeutycznych. Kontrolowanie oscylacji pęcherzyków i indukowanych przepływów w pobliżu jest nadal trudnym zadaniem. Proponowane techniki pozwalają na kontrolowanie oscylacji kształtu pojedynczej bańki uwięzionej w lewitatorze akustycznym.
Indukowane przepływy są następnie wizualizowane i korelowane z dynamiką pęcherzyków. Estelle Mezianai, studentka z Laboratorium Terapeutycznego Zastosowania Ultradźwięków, zademonstruje przebieg zabiegu. Rozpocznij od generowania pęcherzyków, umieszczając zbiornik na wodę oscylatora w taki sposób, aby punkt skupienia lasera znajdował się wewnątrz zbiornika wody, co prowadzi do generowania iskry na każde 5 do 10 milidżuli impulsu laserowego.
Włącz przetwornik ultradźwiękowy i zwiększaj przyłożone napięcie, aż pęcherzyki przestaną unosić się pionowo, ale odchylą się w kierunku antywęzła ciśnienia i zostaną uwięzione. Ustaw podświetlenie na ciągłą diodę elektroluminescencyjną i wybierz szybką kamerę, aby umożliwić obserwację uwięzionej bańki. Aby zapułapkować bąbelek i uchwycić jego oscylacje promieniowe, ustaw rozmiar klatki na 128 na 128 pikseli, a szybkość akwizycji na 180 kiloherców.
Rejestruj oscylacje promieniowe pęcherzyków od 3 do 30 milisekund przy rosnącym napięciu przetwornika od 0 do 8 woltów. Po ostatnim nagraniu wyłącz przetwornik ultradźwiękowy i uchwyć jeden obraz tła do analizy końcowej. W celu przetworzenia końcowego serii filmów uruchom VoltagePressure.
plik exe. Określ parametry fizyczne i doświadczalne oraz wartości przyłożonego napięcia dla serii nagrań. W panelu analizy promienia bąbelkowego kliknij przycisk wczytaj parametry i wybierz folder zawierający wszystkie serie filmów i pliki obrazów tła.
Dla każdego pliku wideo ewolucja promienia pęcherzyka zostanie wykreślona w ciągu jednego okresu akustycznego, a dopasowanie numeryczne zostanie nałożone. Po przetworzeniu wszystkich filmów kliknij opcję Regresja liniowa, aby wykonać liniowe dopasowanie krzywej napięcia ciśnienia. Dane zostaną zapisane w pliku txt w bieżącym katalogu.
Aby wywołać koalescencję pęcherzyków, włącz przetwornik ultradźwiękowy i ustaw przyłożone napięcie na tyle wysoko, aby odpowiednie ciśnienie akustyczne mogło wywołać niestabilność powierzchni, zarodkować pęcherzyk, który następnie będzie migrował do miejsca pułapki. Gdy uwięziony bąbel wykazuje tylko oscylacje sferyczne, wygeneruj nową iskrę laserową. Gdy nowy pęcherzyk dotrze do miejsca pułapki, następuje koalescencja Jeśli koalescencyjna bańka wykazuje tylko sferyczne oscylacje po iskrzeniu, wygeneruj nową bańkę.
Należy jednak pamiętać, że wielokrotne koalescencje mogą być konieczne, aby osiągnąć promień, przy którym występują deformacje niesferyczne. Gdy połączony pęcherzyk wykazuje oscylacje niesferyczne, rejestruj oscylacje pęcherzyka przez około 3 do 30 milisekund i użyj rysunku do określenia numeru trybu oscylacji kształtu pęcherzyka. Aby wykonać pomiary przepływu płynu, ustaw liczbę klatek na sekundę na 180 kiloherców, rozmiar klatki na 128 na 128 pikseli, a czas ekspozycji na 1 mikrosekundę, aby zarejestrować dynamikę interfejsu pęcherzykowego.
Aby rejestrować ruch znaczników barwnika, ustaw rozmiar klatki na 1024 na 768 pikseli, liczbę klatek na sekundę na 600 Hz, a czas ekspozycji na 1 milisekundę. Dostosuj położenie arkusza laserowego tak, aby oświetlone cząstki były widoczne dla kamery i zanukleizowały i uwięziły pęcherzyk, jak pokazano. Dostosuj położenie arkusza laserowego dalej, aby cień stał się widoczny za pęcherzykiem i wywołaj koalescencję pęcherzyków, aż pojawi się stabilny tryb oscylacji kształtu.
Następnie zdobądź kilka nagrań, przełączając się między dynamiką bąbelków a mikrostrumieniowaniem. Aby przetworzyć i przeanalizować obraz, zaimportuj plik cine zawierający przechwycony ruch cząstek do obrazu J i kliknij obraz, dostosuj, jasność, kontrast i auto. Automatycznie zoptymalizowany obraz zastąpi ciemne tło.
Aby wyświetlić wynikowy wzór, kliknij pozycję obraz, stosy i rzut Z, a następnie wybierz opcję maksymalnej intensywności projekcji obrazu. Zostanie wyświetlony obraz wyjściowy z pikselami zawierającymi maksymalną wartość dla wszystkich obrazów w stosie. Pokazana tutaj jest pełna sekwencja koalescencji pęcherzyków prowadząca do stabilnych w czasie, kontrolowanych symetrią, niesferycznych oscylacji, które można zaobserwować.
Zbliżająca się faza dwóch sferycznie oscylujących pęcherzyków kończy się, gdy cienka warstwa cieczy między dwoma pęcherzykami zostaje rozerwana. Po momencie koalescencji pozostaje pojedynczy pęcherzyk wykazujący niesferyczne oscylacje o złożonym kształcie, odpowiadający przejściowemu reżimowi oscylacji po wzbudzeniu dowolnego układu dynamicznego. Po upływie od kilkunastu do 100 okresów akustycznych kształty oscylacji stabilizują się do oscylacji w stanie ustalonym.
Gdy pęcherzyk zostanie uwięziony i wykazuje stałe oscylacje kształtu, można uchwycić ruch znaczników fluorescencyjnych w pobliżu pęcherzyka. Kiedy występują oscylacje kształtu, ruch cieczy jest wytwarzany w pobliżu granicy faz pęcherzyków. Alternatywny zapis dynamiki granicy faz pęcherzyków w akustycznej skali czasowej oraz ruchu cząstek w niższej skali czasowej pozwala na korelację wzorca mikrostrumienia z daną liczbą modów kształtu.
Jeśli dynamika interfejsu bąbelkowego zawiera dodatkowe tryby, wówczas przepływ mikrostrumieniowy może być znacznie zmodyfikowany ze względu na wiele interakcji między modami, które generowałyby określone wzorce. Aby bezpiecznie skojarzyć wzorzec przepływu z sedacją o danym kształcie, należy pamiętać, że konieczne jest alternatywne uchwycenie dynamiki pęcherzyków i ruchu przepływu. Odkrycia te mogą mieć praktyczne zastosowanie w zastosowaniach neuropatycznych, takich jak dostarczanie leków za pośrednictwem transformacji.
Rzeczywiście, wiadomo, że pęcherzyki akustyczne wywierają na błony komórkowe wywołane przepływem czyste naprężenia, które prowadzą do ich przenikania.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
To badanie przedstawia technikę kontrolowania oscylacji kształtu pojedynczej, uwięzionej bąbelki akustycznej za pomocą metody koalescencji. Technika ta umożliwia wizualizację i analizę przepływu płynu generowanego w pobliżu interfejsu bąbelki.
Kluczowe komponenty badania
Obszar nauki
- Lewitacja akustyczna
- Dynamika płynów
- Mechanika bąbelek
Tło
- Rozumienie działań mechanicznych indukowanych przez bąbelki jest niezbędne dla różnych zastosowań inżynieryjnych i terapeutycznych.
- Kontrolowanie oscylacji bąbelek i wynikających z nich przepływów pozostaje znaczącym wyzwaniem.
- Badanie koncentruje się na metodzie manipulacji kształtem pojedynczej bąbelki.
- Wizualizacja indukowanych przepływów jest skorelowana z dynamiką bąbelek.
Cel badania
- Rozwój niezawodnej techniki kontrolowania oscylacji kształtu bąbelki.
- Analiza przepływu płynu wokół interfejsu bąbelki.
- Demonstracja procedury przy użyciu lewitatora akustycznego.
Stosowane metody
- Generowanie bąbelek za pomocą laserowego iskrzy w zbiorniku z wodą.
- Kontrola oscylacji bąbelek poprzez techniki koalescencji.
- Wizualizacja indukowanych przepływów wokół bąbelki.
- Demonstracja przez studenta z Laboratorium Terapeutycznych Zastosowań Ultradźwięków.
Główne wyniki
- Technika z powodzeniem kontroluje oscylacje kształtu uwięzionej bąbelki.
- Indukowane przepływy zostały zwizualizowane i skorelowane z dynamiką bąbelki.
- Metoda pokazuje obiecujące zastosowania w inżynierii i terapii.
- Demonstracja podkreśla praktyczne zastosowanie techniki.
Wnioski
- Proponowana technika jest skuteczna w kontrolowaniu dynamiki bąbelek.
- Wizualizacja przepływów poprawia zrozumienie interakcji bąbelek.
- To badanie przyczynia się do postępów w zastosowaniach terapeutycznych ultradźwięków.
Często zadawane pytania
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.
