Индукция микропотоков несферическими пузырьковыми колебаниями в системе акустической левитации

Понимание механических воздействий, вызванных пузырьками, имеет решающее значение во многих инженерных и терапевтических приложениях. Управление колебаниями пузырьков и индуцированными потоками в окрестностях по-прежнему является сложной задачей. Предложенные методики позволяют управлять колебаниями формы одиночного пузыря, попавшего в акустический левитатор.

Затем индуцированные потоки визуализируются и коррелируют с динамикой пузырьков. Эстель Мезианай, студентка лаборатории терапевтического применения ультразвука, продемонстрирует процедуру. Начните с генерации пузырьков, поместив резервуар для воды генератора таким образом, чтобы точка фокусировки лазера располагалась внутри резервуара для воды, что приводит к генерации искры для каждого лазерного импульса от 5 до 10 миллиджоулей.

Включите ультразвуковой преобразователь и увеличивайте приложенное напряжение до тех пор, пока пузырьки не перестанут подниматься вертикально, а отклонятся в сторону пучности давления и не застрянут. Установите подсветку на непрерывный светодиод и выберите высокоскоростную камеру, чтобы можно было наблюдать за захваченным пузырем. Чтобы поймать пузырь и запечатлеть его радиальные колебания, установите размер кадра 128 на 128 пикселей и скорость захвата 180 килогерц.

Запишите радиальные колебания пузырька от 3 до 30 миллисекунд при увеличении приложенного напряжения преобразователя от 0 до 8 вольт. После последней записи выключите ультразвуковой датчик и сделайте одно изображение фона для последующего анализа. Для постобработки видеоряда запустите VoltagePressure.

exe-файл. Укажите физические и экспериментальные параметры и значения приложенного напряжения для серии записей. На панели анализа радиуса пузырьков нажмите «Загрузить параметры» и выберите папку, содержащую все видеоряды и файлы фоновых изображений.

Для каждого видеофайла будет построена эволюция радиуса пузырька за один акустический период, и на нее будет наложено числовое соответствие. Когда все видео будут обработаны, нажмите «Линейная регрессия», чтобы выполнить линейную подгонку кривой напряжения давления. Данные будут сохранены в текстовый файл в текущем каталоге.

Чтобы вызвать коалесценцию пузырьков, включите ультразвуковой преобразователь и установите приложенное напряжение достаточно высоко, чтобы соответствующее акустическое давление могло вызвать поверхностную нестабильность, зародышеобразующий пузырь, который затем мигрирует в место захвата. Когда захваченный пузырь проявляет только сферические колебания, генерирует новую лазерную искру. Когда новый пузырь достигает места захвата, происходит слияние Если слившийся пузырь проявляет только сферические колебания после искрообразования, сгенерируйте новый пузырь.

Но обратите внимание, что для достижения радиуса, на котором происходят несферические деформации, может потребоваться несколько слияний. После того, как слившийся пузырь проявляет несферические колебания, запишите колебания пузырька в течение примерно 3-30 миллисекунд и используйте цифру для определения номера моды колебаний формы пузырька. Чтобы выполнить измерения расхода жидкости, установите частоту кадров на 180 килогерц, размер кадра на 128 на 128 пикселей и время экспозиции на 1 микросекунду для записи динамики пузырькового интерфейса.

Чтобы записать движение индикаторов красителя, установите размер кадра 1024 на 768 пикселей, частоту кадров 600 герц и время экспозиции 1 миллисекунду. Отрегулируйте положение лазерного листа так, чтобы освещенные частицы были видны камере, зародышеобразно и улавливали пузырь, как показано на рисунке. Отрегулируйте положение лазерного листа так, чтобы тень стала видна за пузырьком, и индуцируйте слияние пузырьков до тех пор, пока не станет очевиден режим стабильно колеблющейся формы.

Затем сделайте несколько записей, переключаясь между динамикой пузырьков и микростримингом. Для обработки и анализа изображений импортируйте кинофайл, содержащий захваченное движение частиц, в изображение J и щелкните изображение, настройку, яркость, контрастность и авто. Автоматически оптимизированное изображение заменит темный фон.

Чтобы отобразить результирующий узор, щелкните изображение, стеки и проект Z, а затем выберите параметр максимальной интенсивности для проекции изображения. Отобразится выходное изображение с пикселями, содержащими максимальное значение по всем изображениям в стеке. Здесь показана полная последовательность слияния пузырьков, приводящая к стабильным во времени симметричным несферическим колебаниям, которые можно наблюдать.

Приближающаяся фаза двух сферически колеблющихся пузырьков заканчивается, когда тонкая жидкая пленка между двумя пузырьками разрывается. После момента слияния остается один пузырь, демонстрирующий несферические колебания сложной формы, соответствующий переходному режиму колебаний, следующих за возбуждением любой динамической системы. Через десяток-100 акустических периодов формы колебаний стабилизируются до устойчивого состояния колебаний.

После того, как пузырь захвачен и демонстрирует колебания устойчивой формы, можно уловить движение флуоресцентных индикаторов в окрестностях пузырька. Когда происходят колебания формы, движение жидкости создается в непосредственной близости от границы раздела пузырьков. Альтернативная регистрация динамики границы раздела пузырьков на акустическом временном масштабе и движения частиц на более низком временном масштабе позволяет коррелировать картину микропотока с заданным номером моды формы.

Если динамика пузырькового интерфейса содержит дополнительные моды, то поток микропотока может быть значительно изменен из-за множественных взаимодействий между модами, которые генерируют определенные паттерны. Чтобы безопасно связать паттерн потока с седацией заданной формы, помните, что необходимо в качестве альтернативы фиксировать динамику пузырьков и движение потока. Эти результаты могут иметь практическое применение в невропатических приложениях, таких как трансформационная доставка лекарств.

Действительно, известно, что акустические пузырьки оказывают индуцированные потоком явные напряжения на клеточные мембраны, которые приводят к их проникновению.