Summary
İki kabarcık arasındaki birleşme tekniğine dayanan tek, sıkışmış bir akustik kabarcığın şekil salınımlarını kontrol etmek için hızlı ve güvenilir bir teknik önerilmektedir. Kararlı durum, simetri kontrollü kabarcık şekli salınımları, kabarcık arayüzünün yakınında üretilen sıvı akışının analizine izin verir.
Abstract
Biyolojik bariyerlerin yakınında bulunduğunda, salınımlı mikrokabarcıklar hücre zarı geçirgenliğini artırabilir ve ilaç ve gen içselleştirmesine izin verebilir. Deneysel gözlemler, bu bariyerlerin geçici geçirgenliğinin, kavitasyon mikro akışı ile hücre dokularına uygulanan kesme stresinden kaynaklanabileceğini düşündürmektedir. Kavitasyon mikro akışı, salınımlı ultrason mikro kabarcıkları etrafında ortaya çıkan vorteks akışlarının oluşumudur. Bu tür sıvı akışları üretmek için, kabarcık salınımları tamamen küresel salınımlardan sapmalı ve translasyonel bir kararsızlık veya şekil modları içermelidir. Kabarcık kaynaklı akışlar ve yakındaki yüzeylerdeki kayma gerilmesi üzerine yapılan deneysel çalışmalar, mikro kabarcıkların şekil deformasyonlarını kararlı ve kontrol edilebilir bir şekilde yakalamanın zorluğu nedeniyle genellikle kapsamlarında sınırlıdır. Simetri kontrollü küresel olmayan salınımların incelenmesi için akustik bir kaldırma odasının tasarımını açıklıyoruz. Bu kontrol, yeterince yoğun bir ultrason alanında yaklaşan iki kabarcık arasında bir birleştirme tekniği kullanılarak gerçekleştirilir. Küresel olmayan salınımların kontrolü, serbest yüzey salınımlı bir mikro kabarcığın kontrollü bir kavitasyon mikro akışına giden yolu açar. Yüksek kare hızlı kameralar, akustik zaman ölçeğinde küresel olmayan kabarcık dinamiklerini ve daha düşük bir zaman ölçeğinde sıvı akışını yarı eşzamanlı olarak araştırmaya olanak tanır. Çok çeşitli akışkan desenlerinin elde edilebileceği ve bunların kabarcık arayüzünün modal içeriği ile ilişkili olduğu gösterilmiştir. Arayüz dinamikleri birkaç mod içeriyorsa, yüksek dereceli şekil modlarının bile büyük mesafeli akışkan desenleri oluşturabileceğini gösteriyoruz ve hedeflenen ve lokalize ilaç dağıtımı için küresel olmayan salınımların potansiyelini vurguluyoruz.
Introduction
Tıpta, uygulanan bir ilaç, istenen hedeflere ulaşmadan önce canlı sistemdeki birçok engele nüfuz etmelidir. Bununla birlikte, çoğu ilaç hızla kan dolaşımından uzaklaştırılır. Hedefleme etkinliği düşüktür ve hücre zarlarını kolayca geçemezler, bu da etkisiz ilaç dağıtımına yol açar. Günümüzde, ultrason ile kombinasyon halinde mikrokabarcıkların kullanımı, ilaçların ve genlerin patolojik dokulara ve hücrelere invaziv olmayan, kesin ve hedefe yönelik olarak verilmesi için yenilikçi bir yöntem olarak önerilmiştir1. Bu yaklaşımda, mikro kabarcıklar, serbest ilaçların bir gaz kabarcığı süspansiyonu ile birlikte enjekte edildiği veya yüzeyine yüklendiği taşıyıcılar olarak rol oynayabilir. Mikrokabarcıklar ayrıca hücrelerle etkileşime girmek için ultrason enerjisini yeniden odaklamak için yerel bir vektör görevi görebilir. Temel olarak, ultrasona maruz kalma altında, kabarcıklar kararlı bir şekilde sıkıştırır ve genişler, sıvı akışları üreten ve dolayısıyla yakındaki nesneler üzerinde kayma stresi oluşturan kararlı kavitasyon adı verilen bir rejim. Mikrokabarcıklar ayrıca doğrusal olmayan bir şekilde salınım yapabilir ve atalet kavitasyonu rejiminde çökene kadar genişleyebilir ve çökme bölgesindenradyal olarak yayılan şok dalgaları üretebilir 2. Stabil veya atalet halindeki kavitasyonun, hücre zarlarının geçirgenliğini arttırdığı ve böylece ilaçların hücre içine içselleştirilmesini arttırdığı gösterilmiştir3.
Terapötik uygulamalarda, kabarcık-hücre etkileşiminin mekanizmasını anlamak çok önemlidir, ancak hem bilimsel hem de teknik açıdan, bilgimizin ilerlemesini engelleyen çeşitli engeller vardır. İlk olarak, kabarcık kaynaklı mekanik uyaranlara yanıt olarak hücrelerin dinamiklerini yakalamak çok zordur4. Akustik zaman ölçeğinde, birinci dereceden mikrokabarcık salınımları, membran kanallarının aktivasyonuna yol açarak biyolojik arayüzler arasında moleküler geçişi kolaylaştırabilir. Bu, "hücresel masaj"5 olarak da adlandırılan hücre zarının doğrudan salınımı yoluyla gerçekleşir. Doğrudan mekanik stresi takiben kanal aktivasyonu, ultrason maruziyeti sırasında ve sonrasında hücre zarlarının elektrofizyolojik özelliklerini ölçen yama-kelepçe teknikleri kullanılarak kanıtlanmıştır6. Kabarcık kaynaklı hücre dinamiklerini (hücre zarının deformasyonunun tam alanı anlamına gelir) akustik zaman ölçeğinde ölçmek, gözenekleri hücre zarına indüklemek için gereken membran alanı genişlemesi ΔA / A eşiğinde de içgörüler sağlayacaktır7. İkinci bariyer, mikro kabarcık kaynaklı hücre lizizini önlemek için çöken kabarcık rejimini kontrol etmektir. Kabarcık çökmeleri ve indüklenen mikrojetler, membran perforasyonunun meydana geldiği bir mekanizma olarak tanımlanmıştır 8,9. Geçirgen hale getirildikten sonra, hücre zarı, lipit çift katmanlarının kalsiyumun kendi kendine sızdırmazlığı ve hücre içi veziküllerin füzyonu yoluyla onarılır9. Kabarcık çökmelerinin meydana gelmesi de hücrede ölümcül hasarlara neden olabilir ve çevredekilerde gereksiz yan etkilere neden olabilir. Ultrason aracılı kan-beyin bariyeri açılması gibi hassas uygulamalarda atalet kabarcığı çökmelerinden kaçınılması gerektiği genel kabul görmektedir10.
Bu nedenle, mikrokabarcıkların kararlı salınımlarını sağlamak için pasif kavitasyon izleme ve kontrolü ile birlikte ultrason emisyon dizilerinin tasarımına büyük çabalar harcanmaktadır11. Bu kararlı rejimde, kararlı bir şekilde salınan kabarcıkların, hücre zarı7 üzerinde uzamsal olarak hedeflenmiş kayma stresini teşvik ederek membran geçirgenliğinin tetiklenmesinde güçlü bir rol oynadığı varsayılmıştır. Kayma gerilmesi, salınımlı kabarcıkların yakınında oluşturulan sıvı akışlarından kaynaklanır. Bu sıvı akışlarına kavitasyon mikro akışı denir ve yukarıda belirtildiği gibi, hücre dışı moleküllerin gelişmiş alımından sorumlu olan birkaç olası mekanizmadan biridir. Kabarcıkların veya hücrelerin in-vitro biyolojik transfeksiyon tahlilleri12 gibi süspansiyonu ile uğraşırken, mikro akış ile geçirgenlik, kabarcık çökmesi ile geçirgenlikten çok daha verimli olabilir. Bu, basit bir geometrik düşünceyle gösterilebilir. Hücre süspansiyonlarında, asılı hücrelerin çoğunluğu yeterince büyük mekanik etkilere (membran geçirgenliğine yol açan) gönderilirse sonoporasyon etkili olacaktır. Kabarcık çökmelerinin, kabarcık duvar ekseni13 veya kütle14 merkezlerini birleştiren kabarcık-kabarcık ve kabarcık-hücre çizgisi gibi izotropik simetri kırılma yönü boyunca yönlendirildiği bilinmektedir. Bu nedenle üretilen mikrojet, hücre ve kabarcık merkezlerine katılan sonlu sayıda çizgi boyunca mekansal olarak lokalize bir fenomendir. Hücre ve kabarcık konsantrasyonuna ve ayrıca kabarcık-hücre mesafesine bağlı olarak, bu etki asılı hücrelerin tam sayısını geçirgenleştirmek için en etkili olmayabilir. Buna karşılık, kavitasyon mikro akışı, kabarcık yarıçapına kıyasla büyük bir uzamsal genişleme ile yavaş bir zaman ölçeğinde meydana gelen bir fenomendir. Ayrıca, sıvı akışı kabarcığın her tarafına dağılır ve bu nedenle çok uzun bir aralıkta daha fazla sayıda hücreyi etkileyebilir. Bu nedenle, salınımlı bir kabarcık etrafında üretilen kavitasyon mikroakışını anlamak, hücrelere uygulanan kabarcık kaynaklı kesme stresini kontrol etmek ve ölçmek için bir ön koşuldur.
Bunu yapmak için, bir ön adım, ultrason tahrikli bir kabarcığın küresel ve küresel olmayan salınımlarını kontrol etmekten ibarettir, çünkü üretilen sıvı akışları kabarcık arayüzünün hareketi ile indüklenir15,16. Özellikle, mikro kabarcıkların şekil salınımları tetiklenmeli ve sabit tutulmalıdır. Ayrıca, kabarcık arayüzü dinamikleri ile indüklenen mikro akış paterni arasındaki korelasyonu doğru bir şekilde analiz etmek için kabarcık şekli salınımlarının oryantasyonu kontrol edilmelidir. Mevcut literatürü özetlerken, kavitasyona bağlı mikro akışın ayrıntılı deneysel sonuçlarının yalnızca bir yüzeye bağlı kabarcıklar için mevcut olduğu açıktır. Duvara bağlı mikro kabarcıklar, ultra hızlı bir mikroskopi sistemi altında mikrometre ölçeğinde doğru arayüz dinamiklerini ve hücre etkileşimlerini değerlendirmek için yaygın olarak kullanılır. Bu konfigürasyon, hücre zarı17,18,19 üzerinde bulunan titreşimli mikrokabarcıklar göz önüne alındığında terapötik olarak önemlidir. Bununla birlikte, substrata bağlı kabarcığın incelenmesi, kısmen temas hattı dinamiği20'nin karmaşık doğası ve asimetrik şekil modlarının tetiklenmesi nedeniyle kabarcık dinamiklerinin analizini daha karmaşık hale getirebilir21. Tıbbi ve biyolojik uygulamalarda, bir duvara tutturulmamış kabarcıklar genellikle küçük kaplar gibi sınırlı geometrilerde bulunur. Bu, kabarcık dinamiklerini ve şekil dengesizliklerini önemli ölçüde etkiler. Özellikle, yakındaki bir duvarın varlığı, şekil modu için basınç eşiğini kaydırır ve şekil modu numarasına ve kabarcık boyutu22'ye bağlı olarak basınç değerlerini düşürmek için tetiklenir. Duvar ayrıca, üretilen akış23 için muhtemelen daha yüksek yoğunlukta kabarcık kaynaklı mikro akışı da etkiler.
Mikro kabarcıkların yaşayabileceği tüm olası senaryolar arasında (serbest veya bağlı, bir duvara yakın, çöken veya istikrarlı bir şekilde salınımlı), herhangi bir sınırdan uzak tek bir kabarcığın küresel olmayan dinamiklerini araştırmayı öneriyoruz. Deneysel kurulum, kabarcığı yakalamak için ayakta duran bir ultrason dalgasının kullanıldığı akustik bir kaldırma sistemi24'e dayanmaktadır. Bu senaryo, örneğin bir sonotransfeksiyon odasında asılı kabarcıklar ve hücreler koleksiyonunun bir arada bulunduğu tıbbi uygulamalarla tutarlıdır. Kabarcıklar ve hücreler çok yakın olmadığı sürece, bir hücrenin varlığının kabarcık arayüz dinamiklerini etkilemediği varsayılmaktadır. Hücreler kavitasyona bağlı mikro akışın döngü benzeri yörüngelerini takip ettiklerinde, döngüsel olarak kabarcık konumundan yaklaşır ve itilirler ve hücre varlığının ne akış modelini ne de ortalama hızını etkilemediğini varsayabiliriz. Ek olarak, küresel olmayan dinamikler ve sınırdan uzak tek kabarcıklardan indüklenen mikro akış, teorik bir bakış açısıyla iyi bilinmektedir. Kabarcık kaynaklı sıvı akışını kabarcık kontur dinamiklerine bağlamak için, kabarcık arayüz dinamiklerini doğru bir şekilde karakterize etmek gerekir. Bunu yapmak için, deneysel çalışmalarda mekansal zamansal ölçeğin terapötiklerde kullanılanlara göre uyarlanması tercih edilir, böylece ortak yüksek hızlı kameralarla (1 milyon kare / saniyenin altında) elde etmek, daha düşük frekanslarda uyarılan büyük kabarcıklar kullanılarak elde edilebilir. Kaplanmamış kabarcıklar göz önüne alındığında, belirli bir n modunun özfrekansı ωn, kabarcık boyutu ile 25 olarak 
ilişkilidir. Bu yarıçap-özfrekans ilişkisi, kabuklu kabarcıklar26 göz önüne alındığında biraz değiştirilir, ancak özfrekans ωn'nin büyüklük sırası aynı kalır. Bu nedenle, 30 kHz'lik bir ultrason alanında denge yarıçapı ~ 50μm olan kabarcıkların araştırılması, Dollet ve ark.27 tarafından önerildiği gibi, 1.7 MHz'lik bir alanda ~ 3μm yarıçaplı kaplanmış kabarcıkları incelemeye benzer. Bu nedenle benzer şekil modu numaraları ve dolayısıyla mikro akış desenleri beklenir.
Kabarcık arayüzünün küresel olmayan salınımlarını tetiklemek için, Şekil 1'de gösterildiği gibi, yarıçapa bağlı belirli bir basınç eşiğini aşmak gerekir. Mevcut deneysel teknikler, yüzey modlarını tetiklemek için akustik basıncın artışına dayanır (Şekil 1'de yol ( 1) ile gösterilmiştir), ya adım adım basınç artışı28 ya da yüzey modlarının periyodik başlangıcından ve yok olmasından sorumlu modüle edilmiş genlik uyarımıile 29. Bu tekniklerin başlıca dezavantajları, (i) görüntüleme düzleminde olması kontrol edilemeyen yüzey salınımlarının simetri ekseninin rastgele yönlendirilmesi, (ii) indüklenen sıvı akışlarının analizini daha büyük zaman ölçeklerinde zorlaştıran kabarcık şekli salınımlarının kısa bir ömrü ve (iii) kararsız şekil modlarının sık sık tetiklenmesidir. Şekil 1'deki yol (2) ile gösterildiği gibi, yarıçap / basınç haritasındaki sabit bir akustik basınçta basınç eşiğini geçmek için alternatif bir teknik öneriyoruz. Bunu yapmak için, kabarcık boyutunu kararsızlık bölgesinde olacak şekilde artırmak gerekir. Böyle bir artış, bir kabarcık birleştirme tekniği ile gerçekleştirilir. Başlangıçta küresel olarak salınım yapan iki mikro kabarcığın birleşmesi, tek bir deforme olmuş kabarcık oluşturmak için kullanılır. Birleştirilmiş kabarcığın akustik basıncı ve kabarcık boyutu kararsızlık bölgesindeyse, yüzey modları tetiklenir. Ayrıca, birleşme tekniğinin, kararlı bir durum rejiminde kararlı şekil salınımlarına ve ayrıca yaklaşan iki kabarcığın doğrusal hareketi ile tanımlanan kontrollü bir simetri eksenine neden olduğunu kanıtladık. Dakikalar içinde kararlı bir şekil salınımı sağlandığından, kabarcık kaynaklı sıvı akışının analizi, sıvı ortamın ince bir lazer tabakası ile aydınlatılan floresan mikropartiküllerle tohumlanmasıyla mümkündür. Kabarcık arayüzünün yakınındaki katı mikropartiküllerin hareketinin kaydedilmesi, indüklenen sıvı akışının30 modelinin tanımlanmasını sağlar. Zamana dayanıklı bir sıvı akışına yol açan kabarcık şekli salınımlarının tetiklenmesinin genel prensibi Şekil 2'de gösterilmiştir.
Aşağıdaki protokolde, birleştirme tekniği ile kararlı kabarcık şekli salınımları oluşturmak için gereken adımları özetliyoruz ve sıvı akışının ölçümlerini açıklıyoruz. Bu, akustik kaldırma sisteminin tasarımını, akustik kalibrasyonu, kabarcık çekirdeklenmesini ve birleştirme tekniğini, kabarcık arayüz dinamiklerinin ve çevresindeki sıvı akışının ölçülmesini ve görüntü işlemeyi içerir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Akustik kaldırma odasının tasarımı
- Bir multifizik simülasyon yazılımının geometri modülü ile optik olarak şeffaf (PMMA benzeri) bir kübik tank (8 cm kenar ve yüz başına 2,8 mm kalınlık) tasarlayın (Malzeme Tablosu).
- Ultrasonik dönüştürücüyü modellemek için tankın dibine ortalanmış silindirik bir yüzey (Ø = 35 mm) yerleştirin.
- Sınır koşullarını, dönüştürücü yüzeyinde normal genlik 1 μm yer değiştirmesiyle her duvarda sıfır basınca ayarlayın.
- Bir Frekans etki alanı modülü kullanarak, tankın Frekans Yanıt İşlevini (FRF) [10 - 40] kHz frekans aralığında, loc1 = (0.01375, 0.01375, 0.04125), loc2 = (0, 0, 0.0088) ve loc3 = (0.021725, 0.023375, 0.00935) olmak üzere üç rastgele konumda simüle edin.
- Tank boyutunu, boşluğun akustik modlarından biri dönüştürücünün nominal frekansına karşılık gelecek şekilde uyarlayın (burada 31.2 kHz). Bu nedenle FRF, Şekil 3'te gösterildiği gibi, bu frekansa yakın bir rezonans zirvesi içerir.
- Tankın içindeki basınç alanını Şekil 4'te gösterildiği gibi çizin. Seçilen rezonans modu, kabın iç kısmında, akustik kabarcığın sıkışacağı en az bir basınç antinodu içermelidir.
- Tankı tasarlarken, tank yüzlerini sıkıca kapatmak için her bir kenarda bir kılavuz oluğu olan hareketli bir üst yüz tasarlayın. Tankı sıvı ortamla doldurmak için üst yüzünde küçük bir delik açın.
- Su deposunu ultrason dönüştürücüsünü içeren ev yapımı bir çerçevenin üzerine yerleştirin (Langevin tipi, 31.2 kHz nominal frekans). Dönüştürücüyü tank alt duvarına bağlamak için ekografik jel kullanın.
- Tank ve çerçeve sistemini mikrometrik vidalarla üç yönlü bir deplasman tablasının üzerine yerleştirin.
- Tankı mikrofiltrelenmiş, mineralden arındırılmış ve suyla doldurun (gazdan arındırılmamış, hacim ~ 500mL, yaklaşık 8 mg oksijen doygunluğu· L-1).
NOT: Gazdan arındırılmış su yerine gazdan arındırılmamış suyun kullanılması, deneyler süresince stabil kabarcıkların korunmasını mümkün kılar. Gazdan arındırılmış suyun kullanılması, düzeltilmiş (ultrason aracılı) difüzyon ile hafifçe dengelenmiş olsa bile, gaz difüzyonu nedeniyle kabarcık büzülmesini hızlandıracaktır.
2. Kabarcık oluşumu ve akustik kalibrasyon
- Lazerle indüklenen kabarcık çekirdeklenmesi, akustik uyarma ve yüksek hızlı kayıt için kullanılan deney düzeneğini hazırlar (Şekil 5a,b,c). Deney düzeneği (A) akustik kaldırma sistemi, (B) lazer güç kaynağı ve (C) lazer kafası, (D) bir küresel içbükey lens, (E) bir plano-içbükey lens ve bir asferik lens, (F) yüksek hızlı kamera, (G) sürekli ışık yayan diyottan oluşur. Daha sonra, sıvı akışlarının ölçümleri için (Şekil 5d) (H) bir sürekli dalga lazer kaynağı, (I) silindirik bir plano-içbükey lens ve ardından ilk lensin arkasına yerleştirilen ve ortogonal eksene yönlendirilmiş silindirik bir plano-içbükey lens eklenecektir.
- Ultrason dönüştürücüyü bir fonksiyon üretecine takın. Uyarma sinyalini şu şekilde ayarlayın: sinüzoidal dalga formu, sürekli dalga, frekans 31.2 kHz. Genlik tek değişken parametredir.
- Lensi (D) lazer kafasının (C) önüne yaklaşık 6 cm'lik bir mesafeye yerleştirin.
- Objektifi (E) lensin (D) önüne yaklaşık 12 cm'lik bir mesafeye yerleştirin.
- Su tankını (A), lazerin bir odak noktası su tankının içine yerleştirilecek ve her lazer darbesi (5 -10 mJ) için kıvılcım oluşumuna yol açacak şekilde yerleştirin. Lazer kıvılcımı, hedeflenen basınç antinodunun yaklaşık 3 cm altına yerleştirilmelidir.
NOT: Ultrason (US) olmadan, lazer çekirdekli kabarcık yüzdürme nedeniyle üst yüze yükselecektir. - Ultrason dönüştürücüyü açın. Kabarcık artık dikey olarak yükselmeyene değil, basınç antinoduna doğru sapana ve yeterli yüksek basınç için sıkışana kadar uygulanan voltajı artırın.
- Sıkışan kabarcığı gözlemlemek için arkadan aydınlatmalı aydınlatmayı (sürekli ışık yayan diyot) ve yüksek hızlı kamerayı ayarlayın.
NOT: Yeni bir kabarcığı lazer kıvılcımıyla çekirdeklendirirken, yakalama konumuna yaklaşan kabarcığın yörüngesini yakalamak kolaydır. - Lazer kıvılcımının yerini su tankı içinde hareket ettirin, böylece kabarcık yörüngesi kameranın odak düzleminin içinde kalır.
- Bir kabarcığı yakalayın ve radyal salınımlarını aşağıdaki parametrelerle yakalayın: çerçeve boyutu 128 x 128 piksel, alma hızı 180 kHz. İki akustik periyot boyunca büyük genlikli radyal salınımlara bir örnek Şekil 6'da verilmiştir. Tipik gaz kabarcıklarının boyutu 30 ila 80 μm arasında değişmektedir.
- Yüzlerce ila binlerce kabarcık salınımını yakalamak için kabarcık radyal salınımlarını 3 ila 30 milisaniye boyunca kaydedin. Dönüştürücünün uygulanan voltajlarını artırmak için bu kaydı tekrarlayın. Tipik uygulanan voltajlar 0 - 8 V aralığındadır.
NOT: Uygulanan voltajı değiştirirken, sıkışmış kabarcığın denge konumu hafifçe dikey olarak hareket eder. Arkadan aydınlatmalı aydınlatmayı ve kamerayı hareket ettirmeden salınımları takip etmek için, sistemi (dönüştürücü ve su deposu) mikrometrik doğrulukla üç yönlü hareketli bir masaya yerleştirin. - Ultrason dönüştürücüyü açın ve analiz sonrası için arka planın bir görüntüsünü yakalayın.
- Bu yordamı izleyerek video serisini sonradan işleyin:
- VoltagePressure.exe yürütülebilir dosyasını çalıştırın. Şekil 7'de gösterilen arayüz açılmalıdır.
NOT: Komut dosyası ek belge olarak kullanılabilir. - Sol sütunda fiziksel ve deneysel parametreleri belirtin (Şekil 7A).
- Sağ alttaki tabloda kayıt serileri için uygulanan voltaj değerlerini belirtin (Şekil 7B).
- Kabarcık yarıçapı analizi panelinde, Parametreleri yükle'ye tıklayın (Şekil 7C) ve video serinizin tüm dosyalarını içeren klasörü ve ardından arka plan görüntüsünü (zorunlu) seçin.
- Tüm videoları bir kerede analiz etmek, Otomatik'e tıklayarak veya Adım adım'a tıklayarak tek tek seçim yapmak arasında seçim yapılmasına izin verilir.
- Her video dosyası için, kabarcık yarıçapının evrimi bir akustik periyot boyunca çizilir ve sayısal bir uyum üst üste bindirilir. Kırmızı eğri doğrusallaştırılmış bir Rayleigh-Plesset modellemesine karşılık gelir. Denge kabarcık yarıçapı görüntülenir (Şekil 7D).
- Sayısal bağlantıya göre, bu voltaj için uygulanan basınç Basınç (Voltaj) grafik panelinde görüntülenir (Şekil 7E). Uygulanan basıncın değeri sağ alttaki tabloda da gösterilmektedir (Şekil 7B). 0 - 8 V voltaj dinamiklerine karşılık gelen tipik uygulanan basınçlar 0 - 25 kPa'dır.
- Tüm videolar işlendikten sonra, basınç/voltaj eğrisinin doğrusal bir uyumunu gerçekleştirmek için Doğrusal regresyon düğmesine tıklayın. Veriler (voltaj ve basınç değerleri) geçerli dizinde bulunan bir .txt dosyasına kaydedilir. Uyumun eğimi sağlanır.
- VoltagePressure.exe yürütülebilir dosyasını çalıştırın. Şekil 7'de gösterilen arayüz açılmalıdır.
3. Birleştirme tekniği
- Ultrason dönüştürücüyü açın. Uygulanan voltajı, Şekil 8'de gösterildiği gibi, kararsızlık bölgelerinin sayısal basınç/yarıçap diyagramına göre, karşılık gelen akustik basıncın yüzey kararsızlığının tetiklenmesine yol açabileceği kadar yükseğe ayarlayın.
- Bir kabarcığı çekirdeklendirin, bu kabarcık daha sonra yakalama konumuna göç edecektir. Sıkışmış kabarcık yalnızca küresel salınımlar sergiliyorsa, bir sonraki adıma geçin. Küresel olmayan salınımlar görünüyorsa:
- Balonun üst yüzeye yükselmesine izin vermek için ultrason gücünü kapatın.
- Lazer enerjisini değiştirin (birkaç mJ üzerinde ince ayar yaparak) veya dönüştürücü voltajını azaltın.
- Ultrason gücünü açın.
- Yeni bir balonu çekirdeklendirin.
- Kabarcık boyutu tamamen küresel salınımlara yol açana kadar bu prosedürü tekrarlayın.
- Sıkışmış bir kabarcık sadece küresel salınımlar sergilediğinde, yeni bir lazer kıvılcımı üretir. Yeni kabarcık yakalama konumuna ulaştığında, birleşme meydana gelir.
- Birleştirilmiş kabarcık yalnızca küresel salınımlar sergiliyorsa, yeni bir kabarcık oluşturun. Küresel olmayan deformasyonların meydana geldiği kabarcık yarıçapına ulaşmak için çoklu birleşmeler gerekli olabilir. Küresel olmayan salınımlara yol açan kabarcık birleşmesinin bir örneği Şekil 9'da gösterilmiştir.
- Birleştirilmiş kabarcık küresel olmayan salınımlar sergilediğinde, kabarcık salınımlarını yaklaşık 3 ila 30 milisaniyelik bir süre boyunca kaydedin.
- Şekil 10'a başvurarak şekil salınımlarının mod sayısını tanımlayın.
4. Sıvı akış ölçümleri
- Kavitasyon mikroakış ölçümleri durumunda, kabarcık çekirdeklenmesinden önce suya floresan izleyici parçacıkları eklenmelidir. Bu çalışmada 0.71 μm partiküller kullanılmıştır (Malzeme Tablosu). Akustik olarak şeffaf olmak (akustik radyasyon kuvvetinden etkilenmemek) ve akışı doğru bir şekilde takip etmek için yeterince küçüktürler ve lazer ışığını saçmak için yeterince büyüktürler. Su tankının hacmi için, yaklaşık olarak 2.104 parçacık /mm3'e karşılık gelen üç damla kullanın.
- Ölçüm yapmadan önce, hem (hızlı zaman ölçeği) kabarcık dinamiklerini hem de (düşük zaman ölçeği) sıvı akışını yakalamak için aşağıdaki parametreleri ayarlayın:
- Kamera kayıt diskinin bölümlenmesini oluşturun.
- Alternatif olarak kayıt parametrelerini şu şekilde tanımlayın:
- Kabarcık arayüzünün dinamiklerinin bir kaydı için kare hızı 180 kHz, kare boyutu 128 x 128 piksel ve pozlama süresi 1 μs
- Boya izleyicilerinin hareketinin bir kaydı için kare hızı 600 Hz, kare boyutu 1024 x 768 piksel ve pozlama süresi 1 ms.
- Sürekli bir lazer kullanın.
- Lazer ışınının silindirik plano-içbükey lensten ve ortogonal eksene yönlendirilmiş silindirik plano-dışbükey lensten art arda geçmesine izin vererek ince bir lazer tabakası oluşturun. Yaklaşık 160 μm'lik bir ışın genişliği elde edilebilir.
- Lazer tabakasını görüntüleme düzlemine karşılık gelecek şekilde ayarlayın:
- Lazeri hareketli bir cihaza yerleştirin, böylece lazer tabakası görüntüleme düzlemine paralel olarak hareket ettirilebilir.
- Konumu, aydınlatılan parçacıklar kamera tarafından görülebilecek şekilde ayarlayın.
- Bir balonu çekirdeklendirin ve yakalayın.
- Lazer tabakasının konumunu daha da ayarlayın, böylece kabarcığın arkasında bir gölge görünür hale gelir. Kabarcık şimdi Şekil 11'de gösterildiği gibi lazer tabakasının içindedir.
- Kararlı bir şekilde salınımlı bir şekil modu görünene kadar kabarcık birleşmesini indükleyin.
- Kabarcık dinamikleri ve mikro akış arasında geçiş yaparak birkaç kayıt yapın.
NOT: Gerekli olmadığında sürekli lazeri kapatın. Isıtma istenmeyen konvektif akışlar oluşturabilir. Ayrıca, akış akışı ölçümlerini gerçekleştirirken ışık yayan diyotu kapatın.
5. Kavitasyon mikroakış modellerini görselleştirmek için görüntü işleme
- Java'da görüntü işleme ve analiz için görselleştirme yazılımı ImageJ'yi yükleyin. Ayrıca yüksek hızlı kamera dosyalarını açmak için CINE File Reader eklentisini yükleyin.
- Dosyaya tıklayın | İçe Aktar | CineFile dosyasını açın ve parçacık hareketinin yakalanmasını içeren *.cine videosunu seçin.
- Yeni pencerede Sanal yığın kullan'ı seçin, video artık yüklenir.
- Akış modelini görüntülemeden parçacık hareketini gözlemlemek için, Resim | Ayarlama | Parlaklık/Kontrast | Otomatik. Koyu arka plan artık otomatik olarak optimize edilmiş bir görüntüyle değiştirilmiştir.
- Ortaya çıkan deseni görüntülemek için, Resim | Yığınlar | Z Projesi tıklayın ve görüntü projeksiyonu için Maksimum Yoğunluk seçeneğini belirleyin. Yığındaki tüm görüntüler üzerinde maksimum değeri içeren piksellere sahip bir çıktı görüntüsü görüntülenir. Gerekirse, görüntü kontrastını adım 5.4'te açıklandığı gibi ayarlayın.
NOT: Şekil 12b ve Şekil 12d'de gösterilenler gibi bir akış modeli elde edilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Zaman kararlı, simetri kontrollü küresel olmayan salınımlara yol açan kabarcık birleşmesinin tam bir dizisi Şekil 9'da sunulmuştur. Küresel olarak salınımlı iki kabarcığın yaklaşan fazı, iki kabarcık arasındaki ince sıvı film yırtıldığında sona erer. Birleşmeden önceki son aşamada, kabarcık arayüzlerinin sferiklikten saptığını belirtmek gerekir. Her iki kabarcık da doğrusal yaklaşım hareketinin yolu boyunca elipsoidal bir şekil üzerinde uzar. Birleşme anından sonra, tek bir kabarcık kalır ve birkaç akustik dönem boyunca karmaşık bir şekle sahip küresel olmayan salınımlar sergiler. Bu, herhangi bir dinamik sistemin uyarılmasını takiben geçici salınım rejimine karşılık gelir. Bir düzine ila yüz akustik periyottan sonra, şekil salınımları, Şekil 10'un yorumlanmasından çıkarılabileceği gibi, burada bir mod 4 için gösterilen kararlı durum salınımında stabilize olur. Bu mod binlerce akustik dönem boyunca, birkaç milisaniye ila birkaç dakika arasında devam edebilir. Bu, kabarcık kaynaklı sıvı akışlarının yarı eşzamanlı ölçümlerine izin verir.
Bir kabarcık sıkıştığında ve sabit şekil salınımları sergilediğinde, Şekil 11'de gösterildiği gibi, kabarcık çevresindeki floresan izleyicilerin hareketi yakalanır. Her şeyden önce, tamamen küresel salınımlar sergileyen bir kabarcık için parçacık hareketinin yokluğu, saf radyal salınımlar tarafından hiçbir vortisitenin indüklenmediğini kanıtlayan birkaç kavitasyon mikroakış modeli31 ile tutarlıdır. Şekil salınımları meydana geldiğinde, Şekil 12'de gösterildiği gibi, kabarcık arayüzünün yakınında sıvı hareketi üretilir. Kabarcık arayüzünün dinamiklerinin akustik zaman ölçeğinde (Şekil 12a,c) ve parçacıkların hareketinin daha düşük bir zaman ölçeğinde (Şekil 12b,d) alternatif olarak kaydedilmesi, mikroakış deseninin belirli bir şekil modu numarasıyla ilişkilendirilmesini sağlar. Şekil 12a, ağırlıklı olarak mod 3'te salınan akustik basınç Pa = 12.8 kPa'da tahrik edilen ortalama yarıçapR = 70.5 μm'lik bir kabarcık için kabarcık dinamiklerinin anlık görüntü serisini sunmaktadır. İlişkili mikroakış modeli, Şekil 12b'de, altı lobdan oluşur. Şekil modu salınımları ile mikroakış deseni arasındaki simetri ekseninin korunumu açıkça görülebilir. Şekil 12c, ağırlıklı olarak mod 4'te salınan akustik basınç Pa = 23.6 kPa'da tahrik edilen ortalama yarıçapR = 55.7 μm'lik bir kabarcık için kabarcık dinamiğinin anlık görüntü serisini sunmaktadır. Şekil 12d'deki ilişkili mikroakış paterni, kabarcık çapının büyüklüğünde sekiz küçük lobdan oluşur. Bir kez daha, şekil modu salınımları ile mikroakış paterni arasındaki simetri ekseninin korunması açıkça görülebilir. Bu sonuçlar, şekil modları ne kadar yüksek dereceli olursa, mikro akış deseninin o kadar küçük olduğunu ve kabarcık çevresinde o kadar sınırlı olduklarını doğruluyor gibi görünmektedir.
Yüksek dereceli modlar için daha dar bir akış modelinin bu varsayımı o kadar açık değildir ve kabarcık arayüzü dinamiklerinin modal içeriğine bağlıdır. Gerçekten de, kabarcık kaynaklı sıvı akışının, aynı frekansta salınan iki şekil modu arasındaki etkileşimlerden veya bir modun kendisiyle kendi kendine etkileşiminden kaynaklandığını hatırlamalıyız31. Belirli bir şekil modunda ağırlıklı olarak salınan bir kabarcık, örneğin bir mod 3'ü düşünelim, mod29 arasındaki doğrusal olmayan bağlantı yoluyla diğer küresel olmayan salınımları da heyecanlandırabilir. Kabarcık arayüzünün dinamikleri, ikinci ve dördüncü (örneğin) gibi ek modlar içeriyorsa, mikro akış akışı, belirli kalıplar oluşturacak modlar arasındaki çoklu etkileşimler nedeniyle önemli ölçüde değiştirilebilir. Bu, Şekil 13'te, ağırlıklı olarak bir mod 3'te salınan ve iki farklı mikro akış modelini indükleyen iki kabarcık için gösterilmiştir. Şekil 13a,b,c'de, P a=12,4 kPa akustik basıncında tahrik edilen, mod 3'te salınım yapan bir denge yarıçapı R 0 = 70.1 μm kabarcığı, lob tipi bir desen sunar. Arayüz dinamiklerinin analizi (Şekil 13b), baskın modların radyal olan (f 0 sürüş frekansında salınımlı), translasyonel olan (1 numaralı mod, f 0 sürüş frekansının yarısında salınımlı), üçüncü mod (f 0/2'de salınımlı) ve nispeten küçük dördüncü ve altıncı modlar (her ikisi de f 0'da salınımlı) olduğunu ortaya koymaktadır). Mikroakış akışına ana katkının, radyal mod ile mod 4 ve 6 arasındaki etkileşim olduğu ve lob tipi bir desen31'e yol açtığı varsayılabilir. Şekil 13d,e,f'de, P a = 13.3 kPa akustik basıncında tahrik edilen, mod 3'te salınım yapan, R0 = 68.6 μm yarıçaplı bir denge kabarcığı, geniş mesafeli akış uzantısına sahip çapraz tip bir desen sunar. Arayüz dinamiklerinin analizi (Şekil 13d), baskın modların radyal olan, translasyonel olan (1 numaralı mod), üçüncü ve altıncı mod olduğunu ortaya koymaktadır. Mod 3'ün yüksek genliğine göre, mikroakış akışına ana katkının, mod 3'ün kendi kendine etkileşimi olduğu ve çapraz tip bir desen32'ye yol açtığı varsayılabilir.
Şekil 1. Şekil salınımlarını tetikleme yönteminin gösterimi. Basınç/yarıçap haritası, belirli bir derecenin modu başına bir kararsızlık bölgesi içerir. Bu bölgeye ulaşmak için basınç eşiği, (1) şekil modları görünene kadar sabit yarıçaplı bir gaz kabarcığını tahrik eden uygulanan akustik basıncın arttırılması veya (2) sabit uygulanan akustik basınçta kabarcık boyutunun arttırılması ile aşılabilir. Kabarcık hacmindeki bu tür bir artış, düzeltilmiş difüzyon meydana geldiğinde yavaşça gerçekleşirken, kabarcık birleşmesi işlemi önemli ölçüde hızlandırır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2. Kabarcık birleştirme tekniğinin gösterimi. Yaklaşan faz (A), kabın içinde aynı yakalama konumunda birbirleriyle karşılaşan iki kabarcığın lazerle çekirdeklenmesinden oluşur. Buluştuklarında, birleşme meydana gelir: kabarcıklar (B) arasındaki ince sıvı filmin yırtılması, başlangıçta deforme olmuş tek bir kabarcığın oluşmasına yol açar. Bu deforme olmuş kabarcık, monokromatik ultrason alanı tarafından tahrik edilir ve kararlı durum rejimine girmeden önce ilk önce geçici salınımlar (C) sergiler. Kararlı durum rejiminde (D), birleştirilmiş kabarcık zamana dayanıklı, simetri kontrollü şekil salınımları sergiler. Ortamı floresan nanopartiküllerle tohumlayarak, kabarcık kaynaklı sıvı akışı yakalanır (E). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3. Frekans Tepkisi Levitasyon sistemi içindeki basınç alanının fonksiyonu. Akustik basıncın genliği, aşağıdaki (x,y,z) koordinatlara karşılık gelen tankın içindeki üç konum için frekansın bir fonksiyonu olarak görüntülenir: (1) mavi, (2.05,2.05,6)cm, (2) kırmızı, (0,0,1.28)cm ve (3) siyah, (3.23,3.48,1.36)cm, burada koordinat sisteminin kökeni kübik tankın alt yüzünün merkezinde alınır. 31.5kHz'e yakın bir rezonans modu açıkça görülebilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4. Akustik basıncın kaldırma odası içindeki dağılımı. (A) Seçilen rezonans modu için kübik su tankı içindeki basınç alanının üç boyutlu gösterimi. Bu mod, ultrason kaynağının frekansına karşılık gelen 31.2 kHz frekansında gerçekleşir. (B) Akustik basıncın tankın diyagonal düzleminde dağılımı. (C) Akustik basıncın yatay (yükseklik z=sabit) bir düzlemde dağılımı. Yükseklik, tankın üst kısmındaki basınç antinodunun konumuna karşılık gelecek şekilde seçilmiştir. Renk çubuğunun genlikleri, dönüştürücü yüzeyinde 1 μm'lik normal bir yer değiştirme uygulanarak elde edilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5. Deney düzeneğinin fotoğrafları ve şemaları. (A) akustik kaldırma sistemi, (B-C) darbeli lazer amplifikatör ve lazer kafası, (D-E) odaklama lens seti, (F) yüksek hızlı kamera, (G) ışık yayan diyot, (H) sürekli dalga lazer ve (I) şekillendirme lensi setinden oluşur. (a) A tarafı ve (b) deney düzeneğinin üstten görünümü. (c) Kabarcık salınımlarını yakalamak için gerekli malzemelerin gösterimi. Bu işlem sırasında sürekli lazerin (H) kapatıldığını unutmayın. (d) Sıvı akışlarını yakalamak için gerekli malzemelerin gösterimi. Kabarcık çekirdeklenmesi için darbeli lazerin (C) kapalı olduğunu, mikropartikül izleyicilerini aydınlatan bir lazer tabakası oluşturmak için sürekli lazerin (H) açık olduğunu unutmayın. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6. Büyük genlikli küresel salınımlar sergileyen ultrason güdümlü bir kabarcığın anlık görüntü serisi. Kabarcık dengesi yarıçapı ~ 60 μm'dir ve sürüş akustik basıncı ~ 15 kPa'dır. İki ardışık görüntü arasındaki zaman aralığı 5,6 μs'dir. Tüm seri iki akustik döneme karşılık gelir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7. Yürütülebilir komut dosyasının arabirim paneli PVR_Interface.exe. Komut dosyası, (A) fiziksel parametreleri ayarlamak için bir panel, (B) dönüştürücülere uygulanan uygulanan elektrik voltajını ayarlamak için bir tablo, (C) sonradan işlenen ve denge kabarcığı yarıçapını (D) ve uygulanan akustik basıncı (B) sağlayan tüm kaydedilmiş video setini yükleme olasılığını içeren bir Grafik Kullanıcı Arabirimi başlatır. basınç/gerilim ilişkisinin grafiği (E). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8. Kararsızlık bölgelerinin basınç/yarıçap diyagramı. Her renkli alan, belirli bir şekil modu için bir kararsızlık bölgesine karşılık gelir: (mavi alan) Mod 2, (yeşil alan) Mod 3 ve (kırmızı alan) Mod 4. Beyaz alan, mikro kabarcıkların sadece küresel salınımlar sergilediği duruma karşılık gelir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9. Şekil salınımlarına yol açan bir kabarcık birleşmesinin anlık görüntü serisi. İki kabarcığın yaklaşan aşamasından sonra, aralarındaki ince film yırtılır ve birleşme meydana gelir. Tek bir kabarcık şimdi ultrason alanı tarafından, ilk önce geçici bir salınım rejiminde tahrik edilir. Bazı akustik dönemlerden sonra kararlı durum rejimi eksenel simetrik şekil modunda, burada mod 4 üzerine kurulur. İki ardışık fotoğraf arasındaki zaman aralığı 30 μs'dir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10. Radyal mod da dahil olmak üzere ilk beş eksenel simetrik şekil modu. Kabarcık arayüzünün konturunun yandan görünümü, salınım genliğinin iki ucunda gösterilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 11. Küresel olarak salınan mikro kabarcıkların etrafındaki floresan izleyici parçacıkları. Her iki görüntü de 0,25 saniyeyi kapsayan 100 anlık görüntüden oluşan bir üst üste binmeye karşılık gelir. (a) Şekil salınımları mevcut değilse, izleyici parçacıkların hareketi gözlenemez. (b) Tüm görüş alanında görülebilen bir parazit ortalama akışı, örneğin lase tabakasının ısınması nedeniyle ortaya çıkabilir. Ancak bu akış kabarcık hareketiyle bağlantılı değildir. Her iki görüntüde de kabarcığın arkasındaki lazer tabakasının neden olduğu gölge açıkça görülebilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 12. Kabarcık dinamiklerinin ve indüklenen mikro akışın yarı eşzamanlı kaydı. Sol sütun: 3 (a) sırasının şekil modu salınımlarını ve indüklenen mikro akışı (b) sergileyen bir kabarcığın anlık görüntü serisi. Sağ sütun: 4 (c) sırasının şekil modu salınımlarını ve indüklenen mikro akışı (d) sergileyen bir kabarcığın anlık görüntü serisi. Tüm şekiller için kırmızı kesikli çizgi, birleşmeden önce yaklaşan iki kabarcığın doğrusal hareketi ile belirlenen hem kabarcık şekli salınımlarının hem de sıvı akışlarının simetri eksenine karşılık gelir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 13. Ağırlıklı olarak mod 3'te salınan bir kabarcık tarafından indüklenen iki akış desenine örnek. (a,d) Kabarcık arabiriminin gösterimi ve snaphot'u, (b,e) kabarcık arabiriminin mod ayrışması ve (c,f) ilişkili akış düzeni. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sunulan prosedür, kararlı durum, simetri kontrollü kabarcık şekli salınımlarını tetiklemek için kabarcık birleşmesinin kullanılmasından oluşur ve bu salınımların neden olduğu uzun vadeli sıvı akışının incelenmesine izin verir. Teknikteki ana zorluk, herhangi bir sınırdan uzak, sıkışmış bir kabarcık için küresel olmayan salınımların kontrolüdür.
Literatürde önerilen mevcut tekniklerin çoğu, substrata bağlı kabarcıklar 7,16'ya odaklanmıştır, çünkü kabarcık merkezinin hareketinin olmaması, arayüzünün akustik zaman ölçeğinde (yüzlerce kHz'e kadar) yakalanmasını kolaylaştırır. Şekil modlarını tetiklemek için gerekli basınç eşiğini aşmak bu durumda kolay bir iş olsa da, şekil salınımlarının kontrolü, substrat tarafından indüklenen simetrinin kırılması nedeniyle karmaşıktır. Duvara tutturulmuş bir kabarcık, alt tabakaya belirli bir temas açısıyla temas eder ve asimetrik yüzey modlarının tetiklenmesine yol açar21. Üç boyutlu, asimetrik modları sadece tek bir kamera görüşüyle yorumlamanın karmaşıklığına ek olarak, kaotik bir yüzey salınım rejimine ani geçiş ortaya çıkar33. Bu nedenle, asıl zorluk, eksenel simetrik küresel olmayan salınımlar elde etmek için herhangi bir sınırdan uzak, sıkışmış tek bir kabarcığın şekil salınımlarını yakalamaktan ibarettir. Bu koşullar, deneyler ile literatürde bulunan çok çeşitli analitik çalışmalar arasında karşılaştırma yapılmasını sağlar. Ana deneysel zorluk, mikro kabarcığın konumsal kararlılığında yatmaktadır. Bu sorunun üstesinden gelmek için, kabarcık yakalama34'ü kontrol etmek için optik cımbız kullanılmıştır ve kabarcık salınımlarını yakalamak ve sürmek için genlik modülasyonlu ultrason alanları kullanılmıştır29. Her iki durumda da, tek bir kabarcık sıkışır ve küresel olmayan modlar tetiklenir. Ayrıca, genlik modülasyonlu sürüş alanı söz konusu olduğunda, şekil modları periyodik olarak başlayıp kayboldukları için yalnızca küçük bir süre için mevcuttur. Ek olarak, kabarcık şekli salınımlarının oryantasyonu kontrol edilmez ve arayüz hareketinin analizinde bir önyargıya yol açar.
Önerdiğimiz alternatif, daha sonra bir rezonans levitasyon odasının basınç antinodunda sıkışan tek bir kabarcığı çekirdeklendirmek için darbeli bir lazerin kullanılmasıdır. Zaman içinde ardışık kabarcıkları çekirdeklendirerek, çekirdekli her kabarcık, zaten başka bir kabarcık tarafından işgal edilmiş olan yakalama konumuna doğru hareket eder. Birleşme meydana gelir ve başlangıçta deforme olmuş bir kabarcık arayüzünü indükler. Sürüş basıncı yeterince güçlüyse, şekil salınımları sürdürülür. Lazer-nükleasyon, hızlı ve güvenilir kabarcık oluşumuna izin verdiği için örneğin elektroliz gibi diğer çekirdeklenme tekniklerine tercih edilmiştir. Şekil 9'da gösterildiği gibi, şekil salınımlarının simetri ekseni, birleşmeden önce kabarcık yaklaşımının ekseni tarafından verilir. Bununla birlikte, bu önemli sonuç, birleşmenin yaklaşma aşamasında kabarcıkların kameranın odak düzleminde kalması gerektiğinden, deneysel kurulumun ayarlanması için nispeten uzun bir zaman gerektirir (bu düzlemdeki simetri eksenini yönlendirmek için). Bunu yapmak için, kabarcıkların hareket ettiği ve birbirleriyle karşılaştığı yolu optimize etmek için kabarcık çekirdeklenme bölgesinde küçük değişiklikler yapılır. Kabarcık çekirdeklenme bölgesine geçiş, tank konumunun lazer yoluna göre ince bir şekilde değiştirilmesini gerektirir ve mikrometrik doğrulukla üç yönlü bir aşama ile gerçekleştirilir. Ek olarak, çekirdekli kabarcık boyutunu optimize etmek için lazer enerjisinin ince ayarı yapılır. Çok büyük kabarcıklar hemen yüksek mod sayısına sahip şekil modları oluşturacak ve hacimsel kabarcık rezonansına yaklaşacaktır. Bu, kabarcık merkezinin yüksek konumsal dengesizliğine yol açar. Çok küçük kabarcıklar, şekil modlarını tetiklemek için uygun boyuta ulaşmadan önce çok sayıda birleştirme işlemi gerektirecektir.
Önerilen tekniğin temel avantajı, simetri kontrollü şekil salınımları için kararlı bir durum rejiminin kurulmasıdır. Arayüz hareketi nispeten uzun bir süre (saniyelerden dakikalara) sürdürüldüğü için, kabarcık kaynaklı sıvı akışını yakalamak, deneysel kurulumu sıvı ortama tohumlanan floresan nanopartiküllerin izlenmesine geçirerek mümkündür. Sonsuz bir sıvıdaki bir kabarcık tarafından indüklenen mikroakışla ilgili deneysel çalışmaların literatürde şu ana kadar bulunmadığını belirtmek gerekir. Ayrıca, substrata bağlı kabarcık için kavitasyon mikroakışı araştırıldığında bile, analiz, kabarcık dinamiği16 ile olan bağlantıyı dikkate almadan nitel gözlemlerle sınırlıdır. Parçacık hareketinin ölçümü, sürekli dalga lazeri tarafından sağlanan ince bir lazer tabakasında gerçekleştirilir. Yarı eşzamanlı olarak (i) darbeli lazerle lazer nükleasyonu, (ii) bir lazer tabakası ile parçacık izleme ve (iii) yüksek hızlı kamera tarafından kayıt yapılması gerektiğinden, su deposunu çevreleyen malzemelerin potansiyel olarak engellenmesine özellikle dikkat edilmelidir. Bu, Şekil 5'te gösterildiği gibi, cihazların düzeninde birçok kısıtlama içeren kompakt bir kuruluma yol açar. Şekil salınımlı bir kabarcık tarafından indüklenen bir mikro akış modelini yakalarken, adım 4.2'de belirtildiği gibi alternatif olarak kabarcık arayüzü dinamiklerini izlemek gerekir. Gerçekten de, alternatif kabarcık dinamiği dizileri ve akışkan akışı görselleştirmesi arasında geçiş yapmak, mikroakış desenini belirli bir şekil salınımıyla güvenli bir şekilde ilişkilendirmeye izin verir. Bu alternatif prosedür zorunludur, çünkü (i) şekil salınımları kapanabilir, (ii) kabarcık stabilitesi aniden artarak kabarcığın konumsal dengesizliğine yol açabilir, (iii) büyük deformasyonlar meydana geldiğinde kabarcık parçalanabilir. Bu olaylar nadir olsa bile, mikro akış desenini filme almadan önce ve sonra kaydederek kabarcık dinamiklerinin aynı kaldığını doğrulamak önemlidir. (Bu şekilde, kabarcık hareketinin ve desenin gerçekten ilişkili olduğundan emin olabilirsiniz).
Belirli bir mod numarası üzerinde ağırlıklı olarak salınan bir kabarcığın, Şekil 12'de gösterildiği gibi, belirli bir mikro akış modeline yol açtığı kanıtlanmıştır. Desen benzersizdir ve arayüz hareketinin modal içeriğine bağlıdır. Şekil 13'te gösterildiği gibi, aynı baskın mod numarası, heyecanlanan ikincil modların sayısına, genliğine ve fazına bağlı olarak büyük veya küçük mesafeli girdaplara neden olabilir.
Bu gözlemler, örneğin hedefli ve lokalize ultrason aracılı ilaç dağıtımı gibi tıbbi uygulamalarda pratik kullanıma sahip olabilir. Kabarcıkların, hücreler arasındaki sıkı kavşakları ve hatta hücre zarının kendisini geçirgenleştirmek için vektörler olarak hareket ettiği ve sonoporasyon1'e yol açtığı bilinmektedir. Kararlı bir şekilde salınan mikro kabarcıklar durumunda, bu fenomen, mikro akış akışlarının oluşturulması yoluyla, kabarcık salınımları tarafından indüklenen kesme gerilmesi veya kayma gerilimi gradyanları35 tarafından indüklenebilir. Mikro akışın doğrusal olmayan, ikinci dereceden bir fenomen olduğunu hatırlıyoruz. İlk başta, gözlemlenen akış modellerini daha küçük boyutlara (~ 3 μm yarıçap) sahip terapötik, kabuklu, mikro kabarcıklar için elde edilene ölçeklendirmek kolay değildir. Girişte, bir büyüklük boyutu farkı sırasına sahip serbest veya kaplanmış kabarcıkların küresel olmayan dinamiklerinin nasıl ölçeklendirilebileceğini zaten kanıtladık: belirli bir n modunun özfrekansı ωn, kabarcık boyutuyla 25 olarak ilişkilidir. Dollet ve ark.27'de, deneyimizde gözlemlenen şekil modu numarasına benzer şekilde, 1.7 MHz'de uyarılmış kaplanmış mikrometrik kabarcıklar için 4. sıradaki şekil modları yakalanmıştır. Ayrıca, uygulanan basınç büyük ölçüde farklılık gösterir, çünkü ultrason kontrast maddesimikrokabarcıkları 27 üzerindeki şekil modlarını tetiklemek için 200kPa'ya kadar basınç gereklidir. Önerilen kurulumda, uygulanan maksimum basınç 25 kPa'yı geçmez. Uygulanan basınçtaki güçlü fark, şekil modları belirli bir basınç eşiğinin üzerinde göründüğü için yüzey dengesizliklerinin tetiklenmesinden kaynaklanır. Dollet ve ark. 27'de verilen 1.7 MHz'deki deneysel koşullar için, şekil kararsızlığına yol açan basınç eşiğinin mod 436 için yaklaşık 150 kPa olduğu gösterilmiştir. 30 kHz'lik bir sürüş frekansı için, ~ 50 μm'lik bir kabarcık üzerinde şekil dengesizliğini tetiklemek için yalnızca 10 kPa'lık bir sürüş alanı genliği gerekir. Tetiklendikten sonra, şekil kararsızlığı birkaç akustik döngüden sonra gelişir ve mod genliğinin plato doygunluğunu gösterir. Genlik doygunluğu hem serbest kabarcıklar 24,29 hem de kaplanmış kabarcıklar27 için gözlendi. Radyal mod genliği 27,37'nin%25 ila% 50'si kadar büyük şekil salınımları ile serbest veya kaplanmış kabarcıklar için kararlı durum şekil salınımlarına ulaşma olasılığını gösterir. Deneysel yaklaşımımızı kullanarak, Şekil 13'te gösterildiği gibi, konfigürasyonda (burada an,
şekil modu genliğidir) aşırı şekil deformasyonlarına ulaşırız.
Özetlemek gerekirse, önerilen deneysel kurulum, neredeyse bir büyüklük sırasına göre değişen boyutlar için bile, mikrokabarcıkların küresel olmayan salınımlarının temel özelliklerinin ölçeklendirilmesine izin verir. Mikroakış akışı ile ilgili olarak, akış hızının ölçeklendirilmesi, hem yanal hem de radyal salınımlarsergileyen kabarcıklar için araştırılıyor olabilir 7 veya kendi kendine etkileşime giren küresel olmayan bir mod32. Her iki durumda da akış hızları v ~ ωR0 a ia j olarak ölçeklenir, burada i, j, kabarcık yarıçapı tarafından normalleştirilen kabul edilen mod genliklerini gösterir. Küresel olmayan genişleme parametresi ai'nin benzer değerleri için, ωR0 ~ Sabit olduğunda aynı akış hızları elde edilir. Deneysel koşullarımızı terapötik kabuklu mikrokabarcıklar27 için kullanılanla karşılaştırdığımızda, akış hızlarının teorik tahminleri sadece bir faktör 2.5'ten farklıdır. Parçacık izleme velosimetrisi ile akış hızlarının ölçülmesi, burada sunulan kurulumda 1mm / s'lik hız büyüklüğünün tahminlerine yol açmıştır. Bu değer, ultrason kontrast maddeleri19 tarafından indüklenen mikroakışın araştırılması sırasında elde edilene benzer. Akış modelinin mekansal organizasyonu ile ilgili olarak, akış girdaplarının kabarcık arayüzü etrafındaki açısal dağılımı, kabarcık yarıçapı31'den bağımsızdır. Yalnızca akış alanının radyal genişlemesi kabarcık boyutu değişikliğinden etkilenir. Bu radyal genişleme, araştırılan mod numarasına bağlı bir katsayının bulunduğu yerde , olarak 
ölçeklenir. Radyal genişleme kabarcık yarıçapı R0 tarafından yönetildiği için akış deseninin genel şeklinin korunduğu açıktır. Bununla birlikte, Şekil 13'te gösterildiği gibi, akış düzeni, aynı şekil modu numarası göz önüne alındığında bile önemli ölçüde farklılık gösterebilir. Şekil 13, kabarcık arayüzü dinamiklerinin akış düzeni ve özellikle hız alanındaki uzamsal değişim oranı üzerindeki büyük etkisini vurgulamaktadır. Kayma gerilmesinin veya kayma gerilmesi gradyanının uzamsal dağılımı, sonoporasyon verimliliğinin uygun bir göstergesi olarak belirtilmiştir35. Önerilen deney düzeneğimizde, bu aşamada sadece dökme sıvıdaki kayma gerilmesi değerlendirilebilir. Duvar kesme gerilmesinin daha da genişletilmesi, kabarcığa yakın yakındaki bir yüzeyin eklenmesini gerektirecektir. Kabarcık çevresindeki bir yüzeyin, durağan dalga alanını yerel olarak değiştirerek kabarcık konumsal stabilitesini bozacağı tahmin edilebilir. Bir duvardan yakın bir mesafede kabarcık stabilitesinin sağlanması, kabarcık duvar mesafesiyle aynı dalga boyuna sahip kabarcık yakalamaya adanmış ikincil bir ultrason alanı ekleyerek kısmen çözülebilecek bir zorluktur. Böyle bir çift frekanslı akustik kaldırma odası, kabarcık çifti dinamiklerini ve etkileşim kuvvetlerini araştırmak için zaten tasarlanmıştır38. Ne yazık ki, burada araştırılan kabarcıklar ile biyolojik hücreler (tipik yarıçap ~ 10μm) arasındaki büyük boyut farkı, bu deney düzeneğinin biyolojik araştırmalar için doğrudan kullanılmasını imkansız kılmaktadır. Bununla birlikte, kabarcık kaynaklı mikro akışla ilgili en son teorik gelişmelerle birlikte deneysel sonuçlarımızın, bu modellemenin geliştirilmesine yardımcı olacağını ve aynı zamanda bir hücre zarının çevresindeki kabarcık kaynaklı kayma stresi veya kayma gerilimi gradyanlarının teorik tahmininde güven sağlayacağını umuyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Lyon Üniversitesi LabEx CeLyA (ANR-10-LABX-0060 / ANR-11-IDEX-0007) tarafından desteklenmiştir.
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).
- Lammertink, B. H. A., et al. Sonochemotherapy: from bench to bedside. Frontiers in Pharmacology. 6, 138 (2015).
- Lajoinie, G., et al. In vitro methods to study bubble-cell interactions: fundamentals and therapeutic applications. Biomicrofluidics. 10, 011501 (2016).
- Van Wamel, A., Bouakaz, A., Versluis, M., de Jong, N. Micromanipulation of endothelial cells: ultrasound-microbubble-cell interaction. Ultrasound in Medicine and Biology. 30, 1255-1258 (2004).
- Tran, T. A., Roger, S., Le Guennec, J. Y., Tranquart, F., Bouakaz, A. Effect of ultrasound-activated microbubbles on the cell electrophysiological properties. Ultrasound in Medicine and Biology. 33, 158-163 (2007).
- Marmottant, P., Hilgenfeldt, S. Controlled vesicle deformation and lysis by single oscillating bubbles. Nature. 423 (6936), 153-156 (2003).
- Prentice, P. A., Cuschieri, K., Dholakia, K., Prausnitz, M., Campbell, P. Membrane disruption by optically controlled microbubble cavitation. Nature Physics. 1, 107-110 (2005).
- Kudo, N., Okada, K., Yamamoto, K. Sonoporation by single-shot pulsed ultrasound with microbubbles adjacent to cells. Biophysical Journal. 96, 4866-4876 (2009).
- Novell, A., et al. A new safety index based on intrapulse monitoring of ultra-harmonic cavitation during ultrasound-induced blood-brain barrier opening procedures. Scientific Reports. 10, 10088 (2020).
- Cornu, C., et al. Ultrafast monitoring and control of subharmonic emissions of an unseeded bubble cloud during pulsed sonication. Ultrasonics Sonochemistry. 42, 697-703 (2018).
- Reslan, L., Mestas, J. L., Herveau, S., Béra, J. C., Dumontet, C. Transfection of cells in suspension by ultrasound cavitation. Journal of Controlled Release. 142 (2), 251-258 (2010).
- Reuter, F., Gonzalez-Avila, S. R., Mettin, R., Ohl, C. D. Flow fields and vortex dynamics of bubbles collapsing near a solid boundary. Physical Review Fluids. 2, 064202 (2017).
- Chew, L. W., Klaseboer, E., Ohl, S. W., Khoo, B. C. Interaction of two differently sized oscillating bubbles in a free field. Physical Review E. 84, 066307 (2011).
- Doinikov, A. A., Bouakaz, A. Acoustic microstreaming around a gas bubble. The Journal of the Acoustical Society of America. 127 (2), 703-709 (2010).
- Tho, P., Manasseh, R., Ooi, A. Cavitation microstreaming patterns in single and multiple bubble systems. Journal of Fluid Mechanics. 576, 191-233 (2007).
- Van Wamel, A., et al. Vibrating microbubbles poking individual cells: Drug transfer into cells via sonoporation. Journal of Controlled Release. 112, 149-155 (2006).
- Helfield, B., Chen, X., Watkins, S. C., Villanueva, F. S. Biophysical insight into mechanisms of sonoporation. PNAS. 113 (36), 9983-9988 (2016).
- Pereno, V., et al. Layered acoustofluidic resonators for the simultaneous optical and acoustic characterization of cavitation dynamics, microstreaming, and biological effects. Biomicrofluidics. 12, 034109 (2018).
- Shklyaev, S., Straube, A. V. Linear oscillations of a compressible hemispherical bubble on a solid substrate. Physics of Fluids. 20, 052102 (2008).
- Fauconnier, M., Bera, J. C., Inserra, C. Nonspherical modes non-degeneracy of a tethered bubble. Physical Review E. 102, 033108 (2020).
- Xi, X., Cegla, F., Mettin, R., Holsteyns, F., Lippert, A. Study of non-spherical bubble oscillations near a surface in a weak acoustic standing wave field. The Journal of the Acoustical Society of America. 135, 1731 (2014).
- Doinikov, A. A., Bouakaz, A. Effect of a distant rigid wall on microstreaming generated by an acoustically driven gas bubble. Journal of Fluid Mechanics. 742, 425-445 (2014).
- Cleve, S., Guédra, M., Inserra, C., Mauger, C., Blanc-Benon, P. Surface modes with controlled axisymmetry triggered by bubble coalescence in a high-amplitude acoustic field. Physical Review E. 98, 033115 (2018).
- Lamb, H. Hydrodynamics. 6th ed. , University Press. Cambridge. (1932).
- Liu, Y., Wang, Q. Stability and natural frequency of nonspherical mode of an encapsulated microbubble in a viscous liquid. Physics of Fluids. 28, 062102 (2016).
- Dollet, B., et al. Nonspherical oscillations of ultrasound contrast agent microbubbles. Ultrasound in Medicine and Biology. 34 (9), 1465-1473 (2008).
- Versluis, M., et al. Microbubble shape oscillations excited through ultrasonic parametric driving. Physical Review E. 82, 026321 (2010).
- Guédra, M., Cleve, S., Mauger, C., Blanc-Benon, P., Inserra, C. Dynamics of nonspherical microbubble oscillations above instability threshold. Physical Review E. 96, 063104 (2017).
- Cleve, S., Guédra, M., Mauger, C., Inserra, C., Blanc-Benon, P. Microstreaming induced by acoustically trapped, non-spherically oscillating microbubbles. Journal of Fluid Mechanics. 875, 597-621 (2019).
- Doinikov, A. A., Cleve, S., Regnault, G., Mauger, C., Inserra, C. Acoustic microstreaming produced by nonspherical oscillations of a gas bubble. I. Case of modes 0 and m. Physical Review E. 100, 033104 (2019).
- Inserra, C., Regnault, G., Cleve, S., Mauger, C., Doinikov, A. A. Acoustic microstreaming produced by nonspherical oscillations of a gas bubble. III. Case of self-interacting modes n-n. Physical Review E. 101, 013111 (2020).
- Prabowo, F., Ohl, C. D. Surface oscillations and jetting from surface attached acoustic driven bubbles. Ultrasonics Sonochemistry. 18 (1), 431-435 (2011).
- Garbin, V., et al. Changes in microbubble dynamics near a boundary revealed by combined; optical micromanipulation and high-speed imaging. Applied Physics Letters. 90, 114103 (2007).
- Collis, J., et al. Cavitation microstreaming and stress fields created by microbubbles. Ultrasonics. 50, 273-279 (2010).
- Loughran, J., Eckersley, R. J., Tang, M. X. Modeling non-spherical oscillations and stability of acoustically driven shelled microbubbles. The Journal of the Acoustical Society of America. 131 (6), 4349-4357 (2012).
- Vos, H. J., Dollet, B., Bosch, J. G., Versluis, M., de Jong, N. Nonspherical vibrations of microbubbles in contact with a wall - a pilot study at low mechanical index. Ultrasound in Medicine and Biology. 34 (4), 685-688 (2008).
- Regnault, G., Mauger, C., Blanc-Benon, P., Inserra, C. Secondary radiation force between two closely spaced acoustic bubbles. Physical Review E. 102, 031101 (2020).
