음향 부상 시스템에서 Nonspherical Bubble Oscillations에 의한 마이크로스트리밍 유도

요약

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.

초록

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.

서론

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

프로토콜

1. 음향 부상 챔버의 설계

1. 다중물리 시뮬레이션 소프트웨어(Table of Materials)의 지오메트리 모듈을 사용하여 광학적으로 투명한(PMMA와 같은) 입방체 탱크(가장자리 8cm, 면당 두께 2.8mm)를 설계합니다.
2. 탱크 바닥 중앙에 원통형 표면(Ø = 35mm)을 삽입하여 초음파 변환기를 모델링합니다.
3. 트랜스듀서 표면에서 진폭 1μm의 수직 변위로 각 벽의 경계 조건을 0 압력으로 설정합니다.
4. 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.
5. 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.
6. 그림 4와 같이 탱크 내부의 압력 필....

결과

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 기.......

토론

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.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
비구면 렌즈	Thorlabs	AL4050	초점 렌즈 40mm
연속파 레이저 소스	CNI	MLL6FN	파장 532nm, 에너지 400mW의 DPSS 레이저
통형 평면 - 오목 렌즈	Thorlabs	LJ1277L1-A	초점 -25?4mm
원통형 평면 - 오목 렌즈	Thorlabs	LK1900L1	초점 렌즈 250mm
형광 입자	Duke Scientific	R700	적색 고분자 형광 마이크로 스피어
함수 생성기	애질런트	HP33120	초음파 변환기에 공급되는 기능 생성기
고속 카메라	Vision Research	Phantom v12.0	최대 1Mfps의 고속 녹음
액체 매체	Carlo Erba	분석용 물	탈염수, 탈기되지 않은 물
부상 챔버의 음향 필드를 시뮬레이션하기위한	다중 물리 소프트웨어	Comsol	None
: Yag 펄스 레이저	New Wave Research	Solo III-15	5 ns 펄스 지속 시간, λ = 532 nm, 3.5 mm 빔 직경, 최대 50 mJ
평면 오목 렌즈	Thorlabs	N-BK7	렌즈 초점 125 mm
구형 오목 렌즈	Thorlabs	N-SF11	초점의 이중 오목 렌즈 -25mm
초음파 변환기	SinapTec	맞춤형	공칭 주파수 31kHz, 활성 영역 35mm
직경 시각화 소프트웨어	NIH	ImageJ	Java
XY 선형 스테이지	Newport	M-406	마이크로미터 나사가 있는 변위 스테이지
Z축 선형 스테이지	Edmund Optics	62-299	마이크로미터 스크류를 사용한 수직 변위 스테이지

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