Akustik Levitasyon Sisteminde Küresel Olmayan Kabarcık Salınımları ile Mikroakışın İndüksiyonu

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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 bölgesinden^radyal 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 indüklenir^15,16. 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 zarı^17,18,19 üzerinde bulunan titreşimli mikrokabarcıklar göz önüne alındığında terapötik olarak önemlidir. Bununla birlikte, substrata bağlı kabarcığın incelenmesi, kısmen temas hattı dinamiği^20'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 boyutu^22'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 sistemi^24'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 ω_n, ^{kabarcık boyutu ile 25} olarak ilişkilidir. Bu yarıçap-özfrekans ilişkisi, kabuklu kabarcıklar²⁶ göz önüne alındığında biraz değiştirilir, ancak özfrekans ω_n'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 uyarımı^{ile 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.

Protokol

1. Akustik kaldırma odasının tasarımı

1. 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).
2. Ultrasonik dönüştürücüyü modellemek için tankın dibine ortalanmış silindirik bir yüzey (Ø = 35 mm) yerleştirin.
3. Sınır koşullarını, dönüştürücü yüzeyinde normal genlik 1 μm yer değiştirmesiyle her duvarda sıfır basınca ayarlayın.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Tank ve çerçeve sistemini mikrometrik vidalarla üç yönlü bir deplasman tablasının üzerine yerleştirin.
10. 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

1. 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.
2. Ultrason dönüştürücüyü bir fonksiyon üretecine takın. Uyarma sinyalini şu şekilde ayarlayın: sinüzoidal dalga formu, sürekli dalga, frekans 31.2 kHz. Genlik tek değişken parametredir.
3. Lensi (D) lazer kafasının (C) önüne yaklaşık 6 cm'lik bir mesafeye yerleştirin.
4. Objektifi (E) lensin (D) önüne yaklaşık 12 cm'lik bir mesafeye yerleştirin.
5. 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.
6. Ultrason dönüştürücüyü açın. Kabarcık artık dikey olarak yükselmeyene değil, basınç antinoduna doğru sapana ve yeterli yüksek basınç için sıkışana kadar uygulanan voltajı artırın.
7. 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.
8. Lazer kıvılcımının yerini su tankı içinde hareket ettirin, böylece kabarcık yörüngesi kameranın odak düzleminin içinde kalır.
9. 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.
10. 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.
11. Ultrason dönüştürücüyü açın ve analiz sonrası için arka planın bir görüntüsünü yakalayın.
12. Bu yordamı izleyerek video serisini sonradan işleyin:
    1. VoltagePressure.exe yürütülebilir dosyasını çalıştırın. Şekil 7'de gösterilen arayüz açılmalıdır.
       NOT: Komut dosyası ek belge olarak kullanılabilir.
    2. Sol sütunda fiziksel ve deneysel parametreleri belirtin (Şekil 7A).
    3. Sağ alttaki tabloda kayıt serileri için uygulanan voltaj değerlerini belirtin (Şekil 7B).
    4. Kabarcık yarıçapı analizi panelinde, Parametreleri yükle'ye tıklayın (Şekil 7C) ve video serinizin tüm dosyalarını içeren klasörü ve ardından arka plan görüntüsünü (zorunlu) seçin.
    5. Tüm videoları bir kerede analiz etmek, Otomatik'e tıklayarak veya Adım adım'a tıklayarak tek tek seçim yapmak arasında seçim yapılmasına izin verilir.
    6. 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).
    7. 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.
    8. 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.

3. Birleştirme tekniği

1. 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.
2. 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:
   1. Balonun üst yüzeye yükselmesine izin vermek için ultrason gücünü kapatın.
   2. Lazer enerjisini değiştirin (birkaç mJ üzerinde ince ayar yaparak) veya dönüştürücü voltajını azaltın.
   3. Ultrason gücünü açın.
   4. Yeni bir balonu çekirdeklendirin.
   5. Kabarcık boyutu tamamen küresel salınımlara yol açana kadar bu prosedürü tekrarlayın.
3. Sıkışmış bir kabarcık sadece küresel salınımlar sergilediğinde, yeni bir lazer kıvılcımı üretir. Yeni kabarcık yakalama konumuna ulaştığında, birleşme meydana gelir.
4. 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.
5. Birleştirilmiş kabarcık küresel olmayan salınımlar sergilediğinde, kabarcık salınımlarını yaklaşık 3 ila 30 milisaniyelik bir süre boyunca kaydedin.
6. Şekil 10'a başvurarak şekil salınımlarının mod sayısını tanımlayın.

4. Sıvı akış ölçümleri

1. 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.
2. Ölçüm yapmadan önce, hem (hızlı zaman ölçeği) kabarcık dinamiklerini hem de (düşük zaman ölçeği) sıvı akışını yakalamak için aşağıdaki parametreleri ayarlayın:
   1. Kamera kayıt diskinin bölümlenmesini oluşturun.
   2. Alternatif olarak kayıt parametrelerini şu şekilde tanımlayın:
      1. Kabarcık arayüzünün dinamiklerinin bir kaydı için kare hızı 180 kHz, kare boyutu 128 x 128 piksel ve pozlama süresi 1 μs
      2. Boya izleyicilerinin hareketinin bir kaydı için kare hızı 600 Hz, kare boyutu 1024 x 768 piksel ve pozlama süresi 1 ms.
3. Sürekli bir lazer kullanın.
4. 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.
5. Lazer tabakasını görüntüleme düzlemine karşılık gelecek şekilde ayarlayın:
   1. Lazeri hareketli bir cihaza yerleştirin, böylece lazer tabakası görüntüleme düzlemine paralel olarak hareket ettirilebilir.
   2. Konumu, aydınlatılan parçacıklar kamera tarafından görülebilecek şekilde ayarlayın.
   3. Bir balonu çekirdeklendirin ve yakalayın.
   4. Lazer tabakasının konumunu daha da ayarlayın, böylece kabarcığın arkasında bir gölge görünür hale gelir. Kabarcık şimdi Şekil 11'de gösterildiği gibi lazer tabakasının içindedir.
6. Kararlı bir şekilde salınımlı bir şekil modu görünene kadar kabarcık birleşmesini indükleyin.
7. 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

1. Java'da görüntü işleme ve analiz için görselleştirme yazılımı ImageJ'yi yükleyin. Ayrıca yüksek hızlı kamera dosyalarını açmak için CINE File Reader eklentisini yükleyin.
2. Dosyaya tıklayın | İçe Aktar | CineFile dosyasını açın ve parçacık hareketinin yakalanmasını içeren *.cine videosunu seçin.
3. Yeni pencerede Sanal yığın kullan'ı seçin, video artık yüklenir.
4. Akış modelini görüntülemeden parçacık hareketini gözlemlemek için, Resim | Ayarlama | Parlaklık/Kontrast | Otomatik. Koyu arka plan artık otomatik olarak optimize edilmiş bir görüntüyle değiştirilmiştir.
5. 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.

Sonuçlar

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...

Tartışma

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 merk...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Asferik lens	Thorlabs	AL4050	Odak lensi 40 mm
Sürekli dalga lazer kaynağı	CNI	MLL6FN	532nm dalga boyunda DPSS lazer, enerji 400 mW
Silindirik plano-içbükey lens	Thorlabs	LJ1277L1-A	odak lensi -25×4mm
Silindirik plano-içbükey lens	Thorlabs	LK1900L1	odak merceği 250 mm
Floresan parçacıklar	Duke Scientific	R700	Kırmızı polimer floresan mikro küreler
Fonksiyon üreteci	Agilent	HP33120	Ultrason dönüştürücüsünü besleyen fonksiyon jeneratörü
Yüksek hızlı kamera	Vision Research	Phantom v12.0	1 Mfps'ye kadar yüksek hızlı kayıt
Sıvı ortam	Carlo Erba	Analiz için su	Demineralize, gazı alınmamış su
Havaya kaldırma odasının akustik alanını simüle etmek için	multifizik yazılımı	Comsol	None
Nd:Yag darbeli lazer	Yeni Dalga Araştırma	Solo III-15	5 ns darbe süresi, λ=532 nm, 3,5 mm ışın çapı, 50 mJ'ye kadar
Plano-içbükey lens	Thorlabs	N-BK7	odak lensi 125 mm
Küresel içbükey lens	Thorlabs	N-SF11	İki içbükey odak lensi -25mm
Ultrason dönüştürücü	SinapTec	Ismarlama	Nominal frekans 31kHz, aktif alan 35mm çap
Görselleştirme yazılımı	NIH	ImageJ	Java XY'de görüntü işleme ve analiz yazılımı
Doğrusal aşama	Newport	M-406	Mikrometrik vidalı yer değiştirme aşaması
Z ekseni doğrusal aşama	Edmund Optics	62-299	Mikrometrik vida ile dikey yer değiştirme aşaması