Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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 
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.
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Protocol
1. 음향 부상 챔버의 설계
- 다중물리 시뮬레이션 소프트웨어(Table of Materials)의 지오메트리 모듈을 사용하여 광학적으로 투명한(PMMA와 같은) 입방체 탱크(가장자리 8cm, 면당 두께 2.8mm)를 설계합니다.
- 탱크 바닥 중앙에 원통형 표면(Ø = 35mm)을 삽입하여 초음파 변환기를 모델링합니다.
- 트랜스듀서 표면에서 진폭 1μm의 수직 변위로 각 벽의 경계 조건을 0 압력으로 설정합니다.
- 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.
- 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.
- 그림 4와 같이 탱크 내부의 압력 필드를 표시합니다. 선택한 공진 모드는 음향 기포가 갇히는 컨테이너 내부에 적어도 하나의 압력 안티노드를 포함해야 합니다.
- 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.
- 초음파 변환기(Langevin 유형, 31.2kHz 공칭 주파수)가 있는 수제 프레임 위에 물 탱크를 놓습니다. 초음파 젤을 사용하여 변환기를 탱크 바닥 벽에 연결합니다.
- 탱크와 프레임 시스템을 마이크로메트릭 나사가 있는 3방향 변위 테이블 위에 놓습니다.
- 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.
2. 기포 발생 및 음향 교정
- 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.
- 초음파 변환기를 함수 발생기에 연결합니다. 여기 신호를 정현파 파형, 연속파, 주파수 31.2kHz로 설정합니다. 진폭은 유일한 변수 매개 변수입니다.
- 렌즈(D)를 레이저 헤드(C) 앞 약 6cm의 거리에 놓습니다.
- 렌즈(E)를 렌즈(D) 앞 약 12cm의 거리에 놓습니다.
- 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. - 초음파 변환기를 켭니다. 기포가 더 이상 수직으로 상승하지 않고 압력 반대 노드쪽으로 벗어날 때까지 적용된 전압을 높이고 충분한 고압을 위해 갇히십시오.
- 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. - 기포 궤적이 카메라의 초점면 내부에 유지되도록 물 탱크 내에서 레이저 스파크의 위치를 이동합니다.
- 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.
- 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. - 초음파 트랜스듀서를 켜고 사후 분석을 위해 배경 이미지 하나를 캡처합니다.
- 다음 절차에 따라 비디오 시리즈를 사후 처리합니다.
- 실행 파일 VoltagePressure.exe를 실행합니다. 그림 7 에 표시된 인터페이스가 열립니다.
참고: 이 스크립트는 보충 문서로 사용할 수 있습니다. - 왼쪽 열에 물리적 및 실험적 매개 변수를 지정합니다 (그림 7A).
- 오른쪽 하단 표에서 일련의 기록에 대해 적용된 전압 값을 지정합니다(그림 7B).
- 버블 반경 분석 패널에서 로드 매개 변수(그림 7C)를 클릭하고 비디오 시리즈의 모든 파일이 포함된 폴더를 선택한 다음 배경 이미지(필수)를 선택합니다.
- 모든 비디오를 한 번에 분석하거나, 자동을 클릭하거나, 단계별로 클릭하여 하나씩 선택할 수 있습니다.
- 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).
- 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.
- 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.
- 실행 파일 VoltagePressure.exe를 실행합니다. 그림 7 에 표시된 인터페이스가 열립니다.
3. 유착 기술
- 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.
- 거품을 핵으로 만들면 거품이 트래핑 위치로 이동합니다. 갇힌 기포가 구형 진동만 나타내는 경우 다음 단계로 이동합니다. 비구형 진동이 나타나는 경우:
- 기포가 상단 표면으로 올라갈 수 있도록 초음파 전원을 끕니다.
- 레이저 에너지를 수정하거나(몇 mJ 이상으로 미세 조정하여) 변환기 전압을 줄입니다.
- 초음파 전원을 켭니다.
- 새 거품을 핵으로 만듭니다.
- 기포 크기가 순전히 구형 진동으로 이어질 때까지 이 절차를 반복합니다.
- 갇힌 기포가 구형 진동만 나타나면 새로운 레이저 스파크를 생성합니다. 새 기포가 트래핑 위치에 도달하면 합체가 발생합니다.
- 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.
- 합쳐진 기포가 비구형 진동을 나타내면 약 3-30밀리초 동안 기포 진동을 기록합니다.
- 형상 진동의 모드 번호는 그림 10을 참조하여 식별한다.
4. 유체 유량 측정
- 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.
- 측정하기 전에 (빠른 시간 척도) 기포 역학과 (낮은 시간 척도) 유체 흐름을 모두 캡처하기 위해 다음 매개변수를 설정하십시오.
- 카메라 녹화 디스크의 파티션을 만듭니다.
- 또는 기록 매개 변수를 다음과 같이 정의합니다.
- 프레임 속도 180kHz, 프레임 크기 128 x 128픽셀, 노출 시간 1μs(버블 인터페이스의 다이내믹 1회 기록 기준)
- 프레임 속도 600Hz, 프레임 크기 1024 x 768픽셀, 염료 추적자의 움직임을 한 번 기록하는 데 노출 시간 1ms.
- 연속 레이저를 사용하십시오.
- 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.
- 이미징 평면에 해당하도록 레이저 시트를 설정합니다.
- 레이저 시트가 이미징 평면과 평행하게 이동할 수 있도록 이동식 장치에 레이저를 설정합니다.
- 조명된 입자가 카메라에 보이도록 위치를 조정합니다.
- 거품을 핵으로 만들고 가둡니다.
- 거품 뒤에 그림자가 보이도록 레이저 시트의 위치를 더 조정하십시오. 기포는 이제 그림 11과 같이 레이저 시트 내부에 있습니다.
- 안정적으로 진동하는 모양 모드가 분명해질 때까지 버블 합체를 유도합니다.
- 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.
5. 캐비테이션 마이크로스트리밍 패턴을 시각화하기 위한 이미지 처리
- Java에서 이미지 처리 및 분석을 위한 시각화 소프트웨어 ImageJ를 설치합니다. 또한 고속 카메라 파일을 열려면 플러그인 CINE 파일 리더를 설치하십시오.
- 파일 | 가져오기 | CineFile을 선택하고 파티클 모션의 캡처가 포함된 비디오 *.cine을 선택합니다.
- 새 창에서 가상 스택 사용을 선택하면 이제 비디오가 로드됩니다.
- 스트리밍 패턴을 표시하지 않고 파티클 모션을 관찰하려면 Image | 조정 | 밝기/대비 | 자동. 이제 어두운 배경이 자동으로 최적화된 이미지로 바뀝니다.
- 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.
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Representative Results
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 기간 동안 지속될 수 있습니다. 이를 통해 기포에 의한 액체 흐름의 유사 동시 측정이 가능합니다.
기포가 갇히고 일정한 모양의 진동을 나타내면 그림 11과 같이 기포 부근에서 형광 추적자의 움직임이 캡처됩니다. 우선, 순전히 구형 진동을 나타내는 기포에 대한 입자 운동의 부재는 순수한 방사형 진동에 의해 소용돌이가 유도되지 않는다는 것을 증명하는 여러 캐비테이션 마이크로스트리밍 모델(31)과 일치한다. 형상 진동이 발생하면 그림 12와 같이 기포 계면 부근에서 액체 운동이 발생합니다. 음향 시간 척도(그림 12a,c)에서 기포 계면의 역학과 더 낮은 시간 척도(그림 12b,d)에서 입자의 움직임에 대한 대체 기록을 통해 마이크로스트리밍 패턴을 주어진 형상 모드 번호와 연관시킬 수 있습니다. 그림 12a는 모드 3에서 주로 진동하는 음압 Pa=12.8kPa에서 구동되는 평균 반경 R0=70.5μm의 기포에 대한 기포 역학의 스냅샷 시리즈를 나타냅니다. 그림 12b에서 연결된 마이크로스트리밍 패턴은 6개의 로브로 구성됩니다. 형상 모드 진동과 마이크로스트리밍 패턴 사이의 대칭 축의 보존이 명확하게 보입니다. 그림 12c는 모드 4에서 주로 진동하는 음향압력 Pa=23.6kPa에서 구동되는 평균 반경 R0=55.7μm의 기포에 대한 기포 역학의 스냅샷 시리즈를 나타냅니다. 도 12d에서 연관된 마이크로스트리밍 패턴은 버블 직경의 크기의 8개의 작은 로브로 구성된다. 다시 한 번, 형상 모드 진동과 마이크로스트리밍 패턴 사이의 대칭 축의 보존이 명확하게 보입니다. 이러한 결과는 모양 모드가 고차일수록 마이크로스트리밍 패턴이 작아지고 버블 근처에 더 제한된다는 것을 확인하는 것 같습니다.
고차 모드에 대한 더 좁은 스트리밍 패턴에 대한 이러한 가정은 명확하지 않으며 버블 인터페이스 역학의 모달 콘텐츠에 따라 달라집니다. 실제로, 우리는 기포에 의한 액체 흐름이 동일한 주파수에서 진동하는 두 가지 모양 모드 간의 상호 작용 또는 모드와 자체31의 자체 상호 작용의 결과라는 것을 상기해야 합니다. 예를 들어 모드 3을 고려하자 주어진 형상 모드에서 주로 진동하는 기포는 모드29 사이의 비선형 결합을 통해 다른 비구형 진동을 자극할 수도 있습니다. 버블 인터페이스의 다이내믹스에 두 번째 및 네 번째 모드(예: )와 같은 보조 모드가 포함된 경우 특정 패턴을 생성하는 모드 간의 다중 상호 작용으로 인해 마이크로스트리밍 흐름이 크게 수정될 수 있습니다. 이것은 두 개의 서로 다른 마이크로스트리밍 패턴을 유도하는 모드 3에서 주로 진동하는 두 개의 기포에 대해 그림 13에 설명되어 있습니다. 그림 13a,b,c에서, 모드 3에서 진동하는 음압 P(pa=12.4kPa)에서 구동되는 평형 반경 R0 =70.1μm의 기포는 로브형 패턴을 나타냅니다. 인터페이스 동역학 분석(그림 13b)은 주요 모드가 방사형 모드(구동 주파수 f 0에서 진동), 병진 모드(1번이 있는 모드, 구동 주파수 f 0의 절반에서 진동), 세 번째 모드(f 0/2에서 진동) 및 상대적으로 작은 네 번째 및 여섯 번째 모드(둘 다 f 0에서 진동)임을 보여줍니다). 마이크로스트리밍 흐름에 대한 주요 기여는 방사형 모드와 모드 4 및 6 사이의 상호작용이며, 이는 로브형 패턴(31)으로 이어진다는 가설을 세울 수 있다. 그림 13d,e,f에서 음압 Pa = 13.3kPa에서 구동되는 평형 반경 R0 = 68.6μm의 기포는 모드 3에서 진동하며 장거리 흐름 확장이 있는 교차 유형 패턴을 나타냅니다. 인터페이스 역학 분석(그림 13d)은 주요 모드가 방사형 모드, 변환 모드(번호 1의 모드), 세 번째 및 여섯 번째 모드임을 보여줍니다. 모드 3의 높은 진폭에 따르면, 마이크로스트리밍 흐름에 대한 주요 기여는 모드 3의 자체 상호작용이며, 이는 교차 유형 패턴(32)으로 이어진다는 가설을 세울 수 있다.
그림 1. 모양 진동을 트리거하는 방법의 그림입니다. 압력/반경 맵에는 지정된 정도의 모드당 하나의 불안정 영역이 포함되어 있습니다. 이 영역에 도달하기 위한 압력 임계값은 (1) 모양 모드가 나타날 때까지 고정 반경의 가스 버블을 구동하는 적용된 음압을 증가시키거나 (2) 일정한 적용 음압에서 버블 크기를 증가시켜 교차할 수 있습니다. 이러한 기포 부피의 증가는 정류 확산이 발생할 때 천천히 발생하는 반면, 기포 합체는 공정을 상당히 고정시킵니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 버블 유착 기법의 그림입니다. 접근 단계(A)는 용기 내의 동일한 트래핑 위치에서 서로 만나는 두 개의 기포를 레이저로 핵을 형성하는 것으로 구성됩니다. 이들이 만나면 유착이 발생합니다 : 기포 (B) 사이의 얇은 액체 필름이 파열되면 초기에 변형 된 단일 기포가 생성됩니다. 이 변형 된 기포는 단색 초음파 장에 의해 구동되며 정상 상태 영역에 들어가기 전에 첫 번째 과도 진동 (C)을 나타냅니다. 정상 상태 영역(D)에서 합체된 기포는 시간 안정성, 대칭 제어 모양 진동을 나타냅니다. 형광 나노입자로 배지를 시딩함으로써, 기포-유도된 유체 흐름이 포획된다(E). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 공중 부양 시스템 내 압력 장의 주파수 응답 기능. 음압의 진폭은 (1) 파란색, (2.05,2.05,6)cm, (2) 빨간색, (0,0,1.28)cm 및 (3) 검은색, (3.23,3.48,1.36)cm에 해당하는 탱크 내부의 세 위치에 대해 주파수의 함수로 표시되며, 여기서 좌표계의 원점은 입방 탱크의 바닥면 중심에서 가져옵니다. 31.5kHz 부근에서는 공진 모드가 선명하게 보입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 부상 챔버 내의 음압 분포. (A) 선택된 공진 모드에 대한 입방체 물 탱크 내의 압력 필드의 3차원 표현. 이 모드는 초음파 소스의 주파수에 해당하는 주파수 31.2kHz에서 발생합니다. (B) 탱크의 대각선면에서의 음압 분포. (C) 수평(높이 z=일정한) 평면에서의 음압 분포. 고도는 탱크 상부의 압력 안티 노드의 위치와 일치하도록 선택되었습니다. 색상 막대의 진폭은 변환기 표면에 1μm의 수직 변위를 가하여 얻습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5. 실험 설정의 사진 및 개략도. (A) 음향 부상 시스템, (B-C) 펄스 레이저 증폭기 및 레이저 헤드, (D-E) 포커싱 렌즈 세트, (F) 고속 카메라, (G) 발광 다이오드, (H) 연속파 레이저 및 (I) 성형 렌즈 세트로 구성됩니다. (a) 측면 및 (b) 실험 설정의 평면도. (c) 기포 진동을 포착하는 데 필요한 재료의 그림. 이 과정에서 연속 레이저(H)가 꺼집니다. (d) 액체 흐름을 포착하는 데 필요한 재료의 그림. 기포 핵 형성을 위한 펄스 레이저(C)는 꺼져 있고 미세 입자 추적기를 비추는 레이저 시트를 생성하기 위한 연속 레이저(H)는 켜져 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6. 큰 진폭의 구형 진동을 나타내는 초음파 구동 버블의 스냅샷 시리즈. 기포 평형 반경은 ~60μm이고 구동 음압은 ~15kPa입니다. 두 개의 연속 이미지 사이의 시간 간격은 5.6μs입니다. 전체 시리즈는 두 개의 음향 기간에 해당합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7. 실행 스크립트의 인터페이스 패널 PVR_Interface.exe. 스크립트는 (A) 물리적 매개 변수를 설정하기위한 패널, (B) 변환기에 적용된 전압을 설정하기위한 테이블, (C) 후 처리 된 녹화 된 비디오의 전체 세트를로드 할 수있는 가능성, 평형 기포 반경 (D) 및 적용된 음압 (B)을 제공하는 그래픽 사용자 인터페이스를 시작합니다. 압력/전압 관계의 플롯(E). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8. 불안정 구역의 압력/반경 다이어그램. 각 색상 영역은 지정된 모양 모드(파란색 영역) 모드 2, (녹색 영역) 모드 3 및 (빨간색 영역) 모드 4의 불안정 영역에 해당합니다. 흰색 영역은 미세 기포가 구형 진동만을 나타내는 경우에 해당합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9. 모양 진동으로 이어지는 거품 합체의 스냅샷 시리즈. 두 기포의 접근 단계 후에, 그들 사이의 박막이 파열되고 합체가 일어난다. 단일 기포는 이제 초음파 필드에 의해 구동되며, 처음에는 과도 진동 체제에서 발생합니다. 일부 음향 기간 후에 정상 상태 체제는 축 대칭 모양 모드, 여기서는 모드 4에 설정됩니다. 연속된 두 사진 사이의 시간 간격은 30μs입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10. 방사형 모드를 포함한 처음 5개의 축대칭 형상 모드입니다. 진동 진폭의 두 극단에서 표시된 버블 계면의 윤곽의 측면도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 11. 구형 진동 미세 기포 주변의 형광 추적자 입자. 두 이미지 모두 0.25초를 포함하는 100개의 스냅샷 중첩에 해당합니다. (a) 형상 진동이 존재하지 않으면 추적자 입자의 움직임을 관찰할 수 없습니다. (b) 전체 시야에서 볼 수 있는 기생충 평균 흐름은 예를 들어 레이저 시트의 가열로 인해 나타날 수 있습니다. 그러나 이 흐름은 버블 모션과 연결되어 있지 않습니다. 두 이미지 모두에서 버블 뒤의 레이저 시트에 의해 유도된 그림자가 선명하게 보입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 12. 버블 역학과 유도된 마이크로스트리밍의 준동시 기록. 왼쪽 열: 차수 3(a)과 유도된 마이크로스트리밍(b)의 모양 모드 진동을 나타내는 하나의 버블의 스냅샷 시리즈. 오른쪽 열: 차수 4(c)와 유도된 마이크로스트리밍(d)의 모양 모드 진동을 나타내는 하나의 버블의 스냅샷 시리즈. 모든 그림에서 빨간색 점선은 기포 모양 진동과 액체 흐름의 대칭 축에 해당하며, 합쳐지기 전에 접근하는 두 기포의 직선 운동에 의해 결정됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 13. 모드 3에서 주로 진동하는 버블에 의해 유도된 두 가지 스트리밍 패턴의 예. (ᄀ,ᄂ) 버블 인터페이스의 그림 및 스냅핫, (b,e) 버블 인터페이스의 모드 분해 및 (c,f) 관련 스트리밍 패턴. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
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 카메라 뷰만으로 3 차원, 비대칭 모드를 해석하는 복잡성 외에도 혼란스러운 표면 진동 체제로의 갑작스런 전환이 발생합니다33. 따라서 주요 과제는 축 대칭 비구형 진동을 얻기 위해 경계에서 멀리 떨어진 단일 갇힌 기포의 모양 진동을 캡처하는 것입니다. 이러한 조건은 실험과 문헌에서 사용할 수 있는 다양한 분석 연구 간의 비교를 가능하게 합니다. 주요 실험적 어려움은 미세 기포의 위치 안정성에 있습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 광학 핀셋은 버블 트래핑(34)을 제어하기 위해 사용되었고, 진폭-변조된 초음파장은 버블 진동(29)을 포획하고 구동하기 위해 사용되었다. 두 경우 모두 단일 버블이 트래핑되고 비구형 모드가 트리거됩니다. 또한, 진폭 변조 구동장의 경우, 형상 모드들은 주기적으로 시작되고 사라지기 때문에 단지 짧은 시간 동안만 존재한다. 또한, 기포 모양 진동의 방향은 제어되지 않으며 계면 운동 분석에서 편향을 유발합니다.
우리가 제안하는 대안은 펄스 레이저를 사용하여 단일 기포를 핵으로 만들고 나중에 공명 부상 챔버의 압력 반대 노드에 갇히는 것입니다. 시간이 지남에 따라 연속적인 거품을 핵으로 생성함으로써 각 핵화된 거품은 이미 다른 거품이 차지하고 있는 포획 위치로 이동합니다. 유착(Coalescence)이 발생하고 초기에 변형된 기포 계면(bubble interface)을 유도한다. 구동 압력이 충분히 강하면 형상 진동이 지속됩니다. 레이저 핵형성은 예를 들어 전기분해와 같은 다른 핵형성 기술보다 선호되어 왔으며, 이는 빠르고 안정적인 기포 생성을 가능하게 하기 때문입니다. 그림 9에서 볼 수 있듯이 형상 진동의 대칭축은 합체 전의 기포 접근 축에 의해 제공됩니다. 그러나 이 주요 결과는 유착 접근 단계에서 기포가 카메라의 초점면 내부에 있어야 하기 때문에(이 평면에서 대칭 축의 방향을 지정하기 위해) 실험 설정을 설정하는 데 비교적 긴 시간이 필요합니다. 이를 위해 기포가 이동하고 서로 만나는 경로를 최적화하기 위해 기포 핵 형성 부위의 약간의 변경이 이루어집니다. 기포 핵 형성 부위로의 변경은 레이저 경로에 비해 탱크 위치의 미세 수정이 필요하며 마이크로 미터 정확도의 3 방향 스테이지로 수행됩니다. 또한, 유핵 기포 크기를 최적화하기 위해 레이저 에너지의 미세 조정이 수행됩니다. 너무 큰 기포는 즉시 모드 번호가 높은 모양 모드를 생성하고 체적 기포 공명에 접근합니다. 이로 인해 버블 중심의 높은 위치 불안정성으로 이어집니다. 너무 작은 거품은 모양 모드를 트리거하기 위한 적절한 크기에 도달하기 전에 많은 수의 병합 프로세스가 필요합니다.
제안된 기술의 주요 이점은 대칭 제어 형상 진동을 위한 정상 상태 체제를 확립하는 것입니다. 계면 운동이 비교적 긴 시간(몇 초에서 몇 분) 동안 지속됨에 따라 실험 설정을 액체 매질에 파종된 형광 나노입자의 추적으로 전환하여 기포 유도 유체 흐름을 포착할 수 있습니다. 무한 액체의 기포에 의해 유도된 마이크로스트리밍에 대한 실험적 연구가 지금까지 문헌에 존재하지 않는다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 또한, 캐비테이션 마이크로스트리밍이 기판-부착 기포에 대해 조사될 때에도, 분석은 기포 역학(16)에 대한 링크를 고려하지 않고 정성적 관찰로 제한된다. 입자 운동의 측정은 연속파 레이저에 의해 제공되는 얇은 레이저 시트에서 수행됩니다. (i) 펄스 레이저에 의한 레이저 핵 형성, (ii) 레이저 시트에 의한 입자 추적 및 (iii) 고속 카메라에 의한 녹화를 동시에 수행해야 하기 때문에 물 탱크를 둘러싼 물질의 잠재적인 방해에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 이로 인해 그림 5와 같이 장치 배치에 대한 많은 제한이 있는 컴팩트한 설정이 가능합니다. 형상 진동 기포에 의해 유도된 마이크로스트리밍 패턴을 캡처할 때, 4.2단계에서 언급된 바와 같이, 대안적으로 기포 계면 역학을 추적할 필요가 있다. 실제로, 버블 역학의 대체 시퀀스와 유체 흐름 시각화 사이를 전환하면 마이크로스트리밍 패턴을 주어진 모양 진동에 안전하게 연결할 수 있습니다. 이 대체 절차는 (i) 형상 진동이 꺼질 수 있고, (ii) 기포 안정성이 갑자기 증가하여 기포의 위치 불안정을 초래할 수 있으며, (iii) 큰 변형이 발생할 때 기포가 파편화될 수 있으므로 필수적입니다. 이러한 이벤트가 드물더라도 마이크로스트리밍 패턴을 촬영하기 전과 후에 모두 기록하여 버블 역학이 동일하게 유지되는지 확인하는 것이 중요합니다. (이런 식으로 버블 모션과 패턴이 실제로 상관 관계가 있음을 확신할 수 있습니다.)
주어진 모드 번호에서 주로 진동하는 버블이 그림 12와 같이 특정 마이크로스트리밍 패턴으로 이어진다는 것이 입증됩니까? 패턴은 고유하며 인터페이스 동작의 모달 내용에 따라 달라집니다. 도 13에 예시된 바와 같이, 동일한 우세한 모드 번호는 여기되는 2차 모드의 수, 진폭 및 위상에 따라 대거리 또는 소거리 소용돌이를 유도할 수 있다.
이러한 관찰은 예를 들어 표적 및 국소 초음파 매개 약물 전달과 같은 의료 응용 분야에서 실용적으로 사용될 수 있습니다. 기포는 세포 사이의 긴밀한 접합부와 심지어 세포막 자체를 투과시키는 벡터로 작용하여 sonoporation1을 유도하는 것으로 알려져 있습니다. 안정적으로 진동하는 마이크로버블의 경우, 이러한 현상은 마이크로스트리밍 흐름의 발생을 통해 버블 진동에 의해 유도된 전단 응력 또는 전단 응력 구배(35)에 의해 유도될 수 있다. 우리는 마이크로스트리밍이 비선형적인 2차 현상이라는 것을 기억합니다. 처음에는 관찰된 스트리밍 패턴을 더 작은 크기(반경~3μm)의 치료용, 껍질이 있는 미세 기포에 대해 얻은 패턴으로 확장하는 것이 간단하지 않습니다. 우리는 이미 서론에서 한 차수의 크기 차이의 자유 또는 코팅된 기포의 비구형 역학이 어떻게 스케일링될 수 있는지 입증했습니다: 주어진 모드 n의 고유 주파수 ωn은 기포 크기와 25로 관련됩니다. Dollet et al.27에서 1.7MHz에서 여기된 코팅된 마이크로메트릭 기포에 대해 차수 4의 모양 모드가 캡처되었으며, 이는 우리 실험에서 관찰된 모양 모드 번호와 유사합니다. 또한, 초음파 조영제 미세 기포(27)에 형상 모드를 트리거하기 위해 최대 200kPa의 압력이 필요하기 때문에 적용된 압력은 크게 다릅니다. 제안된 설정에서 최대 적용 압력은 25kPa를 초과하지 않습니다. 적용된 압력의 큰 차이는 형상 모드가 특정 압력 임계값 이상으로 나타나기 때문에 표면 불안정의 트리거로 인해 발생합니다. Dollet et al. 27에 주어진 1.7MHz에서의 실험 조건의 경우, 형태 불안정성을 초래하는 압력 임계값은 모드 436에 대해 약 150kPa인 것으로 나타났습니다. 30kHz 구동 주파수의 경우 ~50μm 기포에서 형상 불안정성을 트리거하는 데 10kPa 구동장 진폭만 필요합니다. 일단 트리거되면 몇 번의 음향 사이클 후에 형상 불안정성이 발생하고 모드 진폭의 고원 포화를 보여줍니다. 진폭 포화는 자유 기포24, 29 및 코팅된 기포27 둘 다에 대해 관찰되었다. 이는 방사형 모드 진폭 27,37의25 내지 50%만큼 큰 형상 진동을 갖는 자유 또는 코팅된 기포에 대한 정상 상태 형상 진동에 도달할 가능성을 나타낸다. 실험적 접근 방식을 사용하여 그림 13과 같이 구성
에서 극단적인 형상 변형(여기서 n은 형상 모드 진폭)에 도달합니다.
요약하자면, 제안된 실험 설정은 거의 한 자릿수로 다양한 크기에 대해서도 미세 기포의 비구형 진동의 주요 특징을 확장할 수 있습니다. 마이크로스트리밍 흐름과 관련하여, 유속의 스케일링은 측면 및 방사형 진동(lateral and radial oscillation)7 또는 자기-상호작용(self-interacting)하는 비구형 모드(nonspherical mode)를 모두 나타내는 기포(bubble)에 대해 조사할 수 있다(32). 두 경우 모두 스트리밍 속도는 v ~ ωR0 a ia j로 스케일링되며, 여기서 i, j는 버블 반경에 의해 정규화된 고려된 모드 진폭을 나타냅니다. 비구형 확장 파라미터 ai의 유사한 값에 대해, ωR0 ~ Constant일 때 동일한 스트리밍 속도가 얻어진다. 우리의 실험 조건을 치료용 쉘 마이크로버블(shelled microbubbles)27에 사용된 것과 비교하면, 스트리밍 속도에 대한 이론적 예측은 2.5 인자와 다를 뿐이다. 입자 추적 유속계에 의한 스트리밍 속도 측정은 여기에 제시된 설정에서 1mm/s의 속도 크기를 추정했습니다. 이 값은 초음파 조영제(19)에 의해 유도된 마이크로스트리밍을 조사할 때 얻어진 값과 유사하다. 스트리밍 패턴의 공간적 구성과 관련하여, 버블 인터페이스 주위의 유동 와류의 각도 분포는 버블 반경(31)과 무관하다. 스트리밍 필드의 방사형 확장만 버블 크기 수정의 영향을 받습니다. 이 방사형 확장은 다음과 같이 
스케일링됩니다. 여기서 는 조사된 모드 번호에 연결된 계수입니다. 스트리밍 패턴의 전체적인 형상이 보존된다는 것은 명백한데, 방사형 팽창이 기포 반경 R0에 의해 지배되기 때문이다. 그러나, 도 13에 예시된 바와 같이, 스트리밍 패턴은 동일한 형태 모드 번호를 고려하는 경우에도 크게 다를 수 있다. 그림 13은 버블 인터페이스 역학이 스트리밍 패턴, 특히 속도장의 공간적 변화율에 미치는 큰 영향을 강조합니다. 전단 응력의 공간 분포 또는 전단 응력 구배는 sonoporation 효율35의 적절한 지표로 표시되었다. 제안된 실험 설정에서는 벌크 유체의 전단 응력만 이 단계에서 평가할 수 있습니다. 벽 전단 응력을 추가로 확장하려면 기포에 가까운 표면을 추가해야 합니다. 버블 주변의 표면이 정재파장을 국부적으로 수정하여 버블 위치 안정성을 방해할 것이라는 것은 예측할 수 있습니다. 벽에서 가까운 거리에서 기포 안정성을 보장하는 것은 기포 벽 거리와 동일한 파장의 기포 트래핑 전용 2차 초음파 필드를 추가하여 부분적으로 해결할 수 있는 여전히 어려운 과제입니다. 이러한 이중 주파수 음향 부상 챔버는 기포 쌍 역학 및 상호 작용력(38)을 조사하기 위해 이미 설계되었다. 안타깝게도 여기에서 조사된 기포와 생물학적 세포(일반적인 반경 ~10μm) 사이의 큰 크기 차이로 인해 생물학적 조사에 이 실험 설정을 직접 사용할 수 없습니다. 그러나 우리는 기포 유도 마이크로스트리밍에 대한 가장 최근의 이론적 발전과 결합된 우리의 실험 결과가 이러한 모델링을 개선하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 세포막 근처의 기포 유도 전단 응력 또는 전단 응력 구배에 대한 이론적 예측에 대한 확신을 제공할 것으로 기대합니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작업은 리옹 대학의 LabEx CeLyA(ANR-10-LABX-0060 / ANR-11-IDEX-0007)의 지원을 받았습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aspherical lens | Thorlabs | AL4050 | Lens of focus 40 mm |
| Continuous wave laser source | CNI | MLL6FN | DPSS laser of wavelength 532nm, energy 400 mW |
| Cylindrical plano-concave lens | Thorlabs | LJ1277L1-A | lens of focus -25?4mm |
| Cylindrical plano-concave lens | Thorlabs | LK1900L1 | lens of focus 250 mm |
| Fluorescent particles | Duke Scientific | R700 | Red polymer fluorescent microspheres |
| Function generator | Agilent | HP33120 | Generator of function feeding the ultrasound transducer |
| High-speed camera | Vision Research | Phantom v12.0 | High-speed recording up to 1 Mfps |
| Liquid medium | Carlo Erba | Water for analysis | Demineralized, undegassed water |
| Multiphysics software | Comsol | None | Softwate for simulating the acoustic field of the levitation chamber |
| Nd:Yag pulsed laser | New Wave Research | Solo III-15 | 5 ns pulse duration, λ=532 nm, 3.5 mm beam diameter, up to 50 mJ |
| Plano-concave lens | Thorlabs | N-BK7 | lens of focus 125 mm |
| Spherical concave lens | Thorlabs | N-SF11 | Bi-concave lens of focus -25mm |
| Ultrasound transducer | SinapTec | Custom-made | Nominal frequency 31kHz, active area 35mm diameter |
| Visualization software | NIH | ImageJ | Software for image processing and analysis in Java |
| XY Linear stage | Newport | M-406 | Displacement stage with micrometric screw |
| Z-axis linear stage | Edmund Optics | 62-299 | Vertical displacement stage with micrometric screw |
References
- Roovers, S., et al. The role of ultrasound-driven microbubble dynamics in drug delivery: from microbubble fundamentals to clinical translation. Langmuir. 35 (31), 10173-10191 (2019).
- Liu, H. L., Fan, C. H., Ting, C. Y., Yeh, C. K. Combining microbubbles and ultrasound for drug delivery to brain tumors: current progress and overview. Theranostics. 4 (4), 432-444 (2014).
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