تحريض التدفق الدقيق بواسطة تذبذبات الفقاعات غير الكروية في نظام الرفع الصوتي

Summary

تم اقتراح تقنية سريعة وموثوقة للتحكم في تذبذبات شكل فقاعة صوتية واحدة محاصرة تعتمد على تقنية الالتحام بين فقاعتين. تسمح تذبذبات شكل الفقاعة المستقرة التي يتم التحكم فيها بالتماثل بتحليل تدفق السوائل المتولد بالقرب من واجهة الفقاعة.

Abstract

عندما تقع بالقرب من الحواجز البيولوجية ، قد تزيد الفقاعات الدقيقة المتذبذبة من نفاذية غشاء الخلية ، مما يسمح باستيعاب الأدوية والجينات. تشير الملاحظات التجريبية إلى أن الاختراق المؤقت لهذه الحواجز قد يكون بسبب إجهاد القص الذي يمارس على أنسجة الخلايا عن طريق التجويف المجهري. التدفق الدقيق للتجويف هو توليد تدفقات دوامة تنشأ حول الفقاعات الدقيقة المتذبذبة بالموجات فوق الصوتية. لإنتاج مثل هذه التدفقات السائلة ، يجب أن تنحرف تذبذبات الفقاعات عن التذبذبات الكروية البحتة وتتضمن إما عدم استقرار انتقالي أو أوضاع شكل. غالبا ما تكون الدراسات التجريبية للتدفقات التي تسببها الفقاعات وإجهاد القص على الأسطح القريبة مقيدة في نطاقها بسبب صعوبة التقاط تشوهات شكل الفقاعات الدقيقة بطريقة مستقرة ويمكن التحكم فيها. وصفنا تصميم غرفة الرفع الصوتية لدراسة التذبذبات غير الكروية التي يتم التحكم فيها بالتماثل. يتم إجراء هذا التحكم باستخدام تقنية الالتحام بين فقاعتين تقتربان في مجال الموجات فوق الصوتية المكثف بدرجة كافية. يفتح التحكم في التذبذبات غير الكروية الطريق أمام التدفق الدقيق للتجويف المتحكم فيه لفقاعة دقيقة متذبذبة سطحيا حرة. تسمح الكاميرات ذات معدل الإطارات العالي بالتحقيق في ديناميكيات الفقاعات غير الكروية في وقت واحد تقريبا على مقياس زمني صوتي وتدفق السائل في نطاق زمني أقل. يتبين أنه يمكن الحصول على مجموعة كبيرة ومتنوعة من أنماط السوائل وأنها مرتبطة بالمحتوى المشروط لواجهة الفقاعة. لقد أثبتنا أنه حتى أوضاع الشكل عالية الترتيب يمكن أن تخلق أنماطا للسوائل لمسافات كبيرة إذا كانت ديناميكيات الواجهة تحتوي على عدة أوضاع ، مما يسلط الضوء على إمكانات التذبذبات غير الكروية لتوصيل الدواء المستهدف والموضعي.

Introduction

في الطب ، يجب أن يخترق الدواء المدار العديد من العقبات في النظام الحي قبل الوصول إلى الأهداف المرجوة. ومع ذلك ، يتم تنظيف معظم الأدوية بسرعة بعيدا عن مجرى الدم. كفاءة الاستهداف منخفضة ولا يمكنها عبور أغشية الخلايا بسهولة ، مما يؤدي إلى توصيل الدواء بشكل غير فعال. حاليا ، تم اقتراح استخدام الفقاعات الدقيقة مع الموجات فوق الصوتية كطريقة مبتكرة للتوصيل غير الجراحي والدقيق والمستهدف للأدوية والجينات إلى الأنسجة والخلايا المرضية¹. في هذا النهج ، يمكن أن تلعب الفقاعات الدقيقة دورا كناقلات حيث يتم حقن الأدوية المجانية إما بتعليق فقاعة الغاز أو تحميلها على سطحها. يمكن أن تعمل الفقاعات الدقيقة أيضا كناقل محلي لإعادة تركيز طاقة الموجات فوق الصوتية من أجل التفاعل مع الخلايا. في الأساس ، تحت التعرض للموجات فوق الصوتية ، تضغط الفقاعات وتتوسع بثبات ، وهو نظام يسمى التجويف المستقر الذي يولد تدفقات سائلة وبالتالي إجهاد القص على الأشياء القريبة. قد تتذبذب الفقاعات الدقيقة أيضا بشكل غير خطي وتتوسع حتى الانهيار ، في نظام التجويف بالقصور الذاتي ، مما ينتج عنه موجات صدمة تنتشر شعاعيا من موقع الانهيار². لقد ثبت أن التجويف ، سواء كان مستقرا أو بالقصور الذاتي ، يعزز نفاذية أغشية الخلايا ، وبالتالي يعزز استيعاب الأدوية في الخلية³.

في التطبيقات العلاجية ، يعد فهم آلية تفاعل خلية الفقاعة أمرا مهما للغاية ، ولكن هناك العديد من الحواجز ، من الجانبين العلمي والتقني ، التي تمنع معرفتنا من التقدم. أولا ، من الصعب للغاية التقاط ديناميكيات الخلايا استجابة للمحفزات الميكانيكية التي تسببها الفقاعات⁴. في النطاق الزمني الصوتي ، يمكن أن تؤدي تذبذبات الفقاعات الدقيقة من الدرجة الأولى إلى تنشيط قنوات الغشاء ، مما يسهل المرور الجزيئي عبر الواجهات البيولوجية. يحدث هذا من خلال التذبذب المباشر لغشاء الخلية ، ويسمى أيضا "التدليك الخلوي"⁵. تم إثبات تنشيط القناة بعد الإجهاد الميكانيكي المباشر باستخدام تقنيات المشبك الرقعي التي تقيس الخصائص الفيزيولوجية الكهربية لأغشية الخلايا أثناء وبعد التعرض للموجات فوق الصوتية⁶. إن قياس ديناميكيات الخلايا التي تسببها الفقاعات (بمعنى المجال الكامل لتشوه غشاء الخلية) على النطاق الزمني الصوتي ، سيوفر أيضا رؤى حول عتبة توسع منطقة الغشاء Δ A/ A المطلوبة لحث المسام في غشاء الخلية⁷. الحاجز الثاني هو التحكم في نظام الفقاعة المنهارة لتجنب تحلل الخلايا الناجم عن الفقاعات الدقيقة. تم تحديد انهيار الفقاعات والنفاثات الدقيقة المستحثة كآلية يحدث من خلالها ثقب الغشاء ^8,9. بمجرد أن يتخلل ، يتم إصلاح غشاء الخلية من خلال الختم الذاتي للكالسيوم للطبقات الثنائية الدهنية واندماج الحويصلات داخل الخلايا⁹. قد يتسبب حدوث انهيارات الفقاعات أيضا في حدوث أضرار قاتلة للخلية وإحداث آثار جانبية غير ضرورية في الخلايا المحيطة. في التطبيقات الحساسة مثل فتح الحاجز الدموي الدماغي بوساطة الموجات فوق الصوتية ، من المقبول عموما أنه يجب تجنب انهيار الفقاعات بالقصور الذاتي¹⁰.

لذلك ، يتم حاليا تكريس جهود ضخمة لتصميم تسلسل انبعاثات الموجات فوق الصوتية ، إلى جانب مراقبة التجويف السلبي والتحكم فيه ، من أجل ضمان تذبذبات مستقرة للفقاعات الدقيقة¹¹. في هذا النظام المستقر ، تم افتراض أن الفقاعات المتذبذبة بشكل ثابت تلعب دورا قويا في تحفيز نفاذية الغشاء من خلال تعزيز إجهاد القص المستهدف مكانيا على غشاء الخلية⁷. ينتج إجهاد القص عن تدفقات السائل الناتجة بالقرب من الفقاعات المتذبذبة. تسمى هذه التدفقات السائلة microstreaming التجويف ، وكما ذكر أعلاه ، فهي واحدة من العديد من الآليات الممكنة المسؤولة عن تعزيز امتصاص الجزيئات خارج الخلية. عند التعامل مع تعليق الفقاعات أو الخلايا مثل فحوصات النقل البيولوجي في المختبر¹² ، قد تكون النفاذية عن طريق البث الدقيق أكثر كفاءة من النفاذية عن طريق انهيار الفقاعة. يمكن إظهار ذلك من خلال اعتبار هندسي بسيط. في تعليق الخلية ، سيكون sonoporation فعالا إذا تم تقديم غالبية الخلايا المعلقة لتأثيرات ميكانيكية كبيرة بما فيه الكفاية (مما يؤدي إلى نفاذية الغشاء). من المعروف أن انهيارات الفقاعات يتم توجيهها على طول اتجاه كسر التماثل الخواص ، مثل محور جدار الفقاعة¹³ أو خط الفقاعة وخلية الفقاعة الذي ينضم إلى مركز الكتلة¹⁴. وبالتالي فإن النفاثة الصغيرة المنتجة هي ظاهرة موضعية مكانيا على طول عدد محدود من الخطوط التي تربط مراكز الخلية والفقاعات. اعتمادا على تركيز الخلية والفقاعة ، وكذلك المسافة بين خلية الفقاعة ، قد لا يكون هذا التأثير هو الأكثر كفاءة لاختراق العدد الكامل للخلايا العالقة. في المقابل ، يعد التدفق الدقيق للتجويف ظاهرة تحدث في نطاق زمني بطيء ، مع توسع مكاني كبير مقارنة بنصف قطر الفقاعة. أيضا ، يتم توزيع تدفق السائل في جميع أنحاء الفقاعة ، وبالتالي قد يؤثر على عدد أكبر من الخلايا ، على مدى طويل جدا. لذلك ، فإن فهم التدفق الدقيق للتجويف المتولد حول فقاعة متذبذبة هو شرط أساسي للتحكم في إجهاد القص الناجم عن الفقاعة الذي يتم تطبيقه على الخلايا وتحديده.

للقيام بذلك ، تتمثل الخطوة الأولية في التحكم في التذبذبات الكروية وغير الكروية للفقاعة التي تحركها الموجات فوق الصوتية ، حيث يتم تحفيز تدفقات السائل المتولدة بواسطة حركة واجهة الفقاعة^15,16. على وجه الخصوص ، يجب تشغيل تذبذبات شكل الفقاعات الدقيقة والحفاظ على استقرارها. علاوة على ذلك ، يجب التحكم في اتجاه تذبذبات شكل الفقاعة لتحليل العلاقة بين ديناميكيات واجهة الفقاعة ونمط التدفق الدقيق المستحث بشكل صحيح. عند تلخيص الأدبيات الموجودة ، من الواضح أن النتائج التجريبية التفصيلية للتدفق الدقيق الناجم عن التجويف متاحة فقط للفقاعات المرتبطة بالسطح. تستخدم الفقاعات الدقيقة المتصلة بالجدار بشكل شائع لتقييم ديناميكيات الواجهة الدقيقة وتفاعلات الخلايا على مقياس الميكرومتر تحت نظام الفحص المجهري فائق السرعة. هذا التكوين مناسب علاجيا عند التفكير في الفقاعات الدقيقة المهتزة الموجودة على غشاء الخلية¹⁷،^18،19. ومع ذلك ، فإن دراسة الفقاعة المرتبطة بالركيزة قد تجعل تحليل ديناميكيات الفقاعات أكثر تعقيدا ، ويرجع ذلك جزئيا إلى الطبيعة المعقدة لديناميكيات خط الاتصال²⁰ ، وتشغيل أوضاع الشكل غير المتماثل²¹. في التطبيقات الطبية والبيولوجية ، توجد الفقاعات غير المتصلة بالجدار بشكل شائع في الأشكال الهندسية المحصورة مثل الأوعية الصغيرة. هذا يؤثر بشكل كبير على ديناميكيات الفقاعة وعدم استقرار الشكل. على وجه الخصوص ، يؤدي وجود جدار قريب إلى تحويل عتبة الضغط لوضع الشكل مما يؤدي إلى انخفاض قيم الضغط اعتمادا على رقم وضع الشكل وحجم الفقاعة²². يؤثر الجدار أيضا على التدفق الدقيق الناجم عن الفقاعة مع احتمال كثافة أعلى للتدفق المنتج²³.

من بين جميع السيناريوهات المحتملة التي قد تواجهها الفقاعات الدقيقة (حرة أو متصلة ، قريبة من جدار ، تنهار أو تتأرجح بثبات) ، نقترح التحقيق في الديناميكيات غير الكروية لفقاعة واحدة بعيدة عن أي حدود. يعتمد الإعداد التجريبي على نظام الرفع الصوتي²⁴ حيث يتم استخدام موجة الموجات فوق الصوتية الدائمة لاحتجاز الفقاعة. يتوافق هذا السيناريو مع التطبيقات الطبية التي تتعايش فيها مجموعة من الفقاعات والخلايا العالقة في غرفة نقل الصوت ، على سبيل المثال. بقدر ما تكون الفقاعات والخلايا ليست قريبة جدا ، فمن المفترض أن وجود خلية لا يؤثر على ديناميكيات واجهة الفقاعة. عندما تتبع الخلايا المسارات الشبيهة بالحلقة للتدفق الدقيق الناجم عن التجويف ، فإنها تقترب بشكل دوري وتتنافر من موقع الفقاعة ويمكننا أن نفترض أن وجود الخلية لا يؤثر على نمط التدفق ولا سرعته المتوسطة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الديناميكيات غير الكروية والتدفق الدقيق المستحث من فقاعات مفردة بعيدة عن الحدود معروفة جيدا من وجهة نظر نظرية. من أجل ربط تدفق السائل الناجم عن الفقاعة بديناميكيات كفاف الفقاعة ، يلزم توصيف ديناميكيات واجهة الفقاعة بدقة. للقيام بذلك ، من الأفضل تكييف النطاق الزماني المكاني في الدراسات التجريبية فيما يتعلق بتلك المستخدمة في العلاجات بحيث يكون الحصول على كاميرات عالية السرعة شائعة (أقل من 1 مليون إطار / ثانية) ممكنا باستخدام فقاعات كبيرة متحمسة عند ترددات منخفضة. عند النظر في الفقاعات غير المطلية ، يرتبط التردد الذاتي ω n لنمط معين _n بحجم الفقاعة مثل ²⁵. يتم تعديل علاقة نصف القطر والتردد الذاتي هذه بشكل طفيف عند النظر في الفقاعات المقشرة²⁶ ، لكن ترتيب حجم التردد الذاتي ω_n يظل كما هو. وبالتالي ، فإن فحص الفقاعات ذات أنصاف أقطار التوازن ~ 50 ميكرومتر في مجال الموجات فوق الصوتية 30 كيلو هرتز يشبه دراسة الفقاعات المغلفة من أنصاف الأقطار ~ 3 ميكرومتر في مجال 1.7 ميجاهرتز ، على النحو الذي اقترحه Dollet et ^al.27. لذلك من المتوقع أن تكون أرقام وضع الشكل مماثلة وبالتالي أنماط البث المصغر.

من أجل تشغيل تذبذبات غير كروية لواجهة الفقاعة ، من الضروري تجاوز عتبة ضغط معينة تعتمد على نصف القطر ، كما هو موضح في الشكل 1. تعتمد التقنيات التجريبية الحالية على زيادة الضغط الصوتي لتحريك الأنماط السطحية (الموضحة بالمسار (1) في الشكل 1) ، إما عن طريق زيادة الضغط خطوة بخطوة²⁸ أو عن طريق إثارة السعة المعدلة المسؤولة عن البداية الدورية وانقراض أوضاع السطح²⁹. العيوب الرئيسية لهذه التقنيات هي (i) الاتجاه العشوائي لمحور التماثل للتذبذبات السطحية التي لا يمكن التحكم فيها لتكون في مستوى التصوير ، (ii) عمر قصير لتذبذبات شكل الفقاعة التي تجعل تحليل تدفقات السائل المستحثة صعبا في نطاقات زمنية أكبر ، و (iii) التشغيل المتكرر لأوضاع الشكل غير المستقرة. نقترح تقنية بديلة لعبور عتبة الضغط عند ضغط صوتي ثابت في خريطة نصف القطر / الضغط ، كما هو موضح في المسار (2) في الشكل 1. للقيام بذلك ، يلزم زيادة حجم الفقاعة بحيث تكون في منطقة عدم الاستقرار. يتم تنفيذ هذه الزيادة بواسطة تقنية اندماج الفقاعة. يتم استغلال اندماج فقاعتين صغيرتين ، متذبذبتين كرويا في البداية ، لإنشاء فقاعة واحدة مشوهة. إذا كان الضغط الصوتي وحجم الفقاعة للفقاعة المدمجة في منطقة عدم الاستقرار ، يتم تشغيل أوضاع السطح. لقد أثبتنا أيضا أن تقنية الالتحام تحفز تذبذبات الشكل المستقر في نظام الحالة المستقرة ، بالإضافة إلى محور تناظر متحكم فيه تحدده الحركة المستقيمة للفقاعتين المقتربتين. نظرا لأن تذبذب الشكل المستقر مضمون على مدار دقائق ، فإن تحليل تدفق السوائل الناجم عن الفقاعات ممكن عن طريق بذر الوسط السائل بجزيئات دقيقة فلورية مضاءة بواسطة ورقة ليزر رقيقة. يسمح تسجيل حركة الجسيمات الدقيقة الصلبة بالقرب من واجهة الفقاعة بتحديد نمط تدفق السائل المستحث³⁰. يوضح الشكل 2 المبدأ العام لتحفيز تذبذبات شكل الفقاعة ، مما يؤدي إلى تدفق سائل مستقر زمنيا.

في البروتوكول التالي ، نوضح الخطوات المطلوبة لإنشاء تذبذبات مستقرة على شكل فقاعة عبر تقنية الالتحام ونصف قياسات تدفق السوائل. يتضمن ذلك تصميم نظام الرفع الصوتي ، والمعايرة الصوتية ، ونواة الفقاعات وتقنية الالتحام ، وقياس ديناميكيات واجهة الفقاعة وتدفق السوائل المحيطة ، ومعالجة الصور.

Protocol

1. تصميم غرفة الرفع الصوتية

1. صمم خزانا مكعبا شفافا بصريا (يشبه PMMA) (حافة 8 سم وسمك 2.8 مم لكل وجه) باستخدام وحدة الهندسة لبرنامج محاكاة متعدد الفيزياء (جدول المواد).
2. أدخل سطحا أسطوانيا (Ø = 35 مم) متمركزا في قاع الخزان ، لنمذجة محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية.
3. اضبط شروط الحدود على صفر ضغط على كل جدار مع إزاحة طبيعية بسعة 1 ميكرومتر على سطح محول الطاقة.
4. باستخدام وحدة مجال التردد ، قم بمحاكاة وظيفة استجابة التردد (FRF) للخزان في نطاق التردد [10 - 40] كيلو هرتز ، في المواقع التعسفية الثلاثة loc1 = (0.01375 ، 0.01375 ، 0.04125) ، loc2 = (0 ، 0 ، 0.0088) ، و loc3 = (0.021725 ، 0.023375 ، 0.00935).
5. قم بتكييف حجم الخزان بحيث يتوافق أحد الأوضاع الصوتية للتجويف مع التردد الاسمي لمحول الطاقة (هنا 31.2 كيلو هرتز). ومن ثم، يحتوي FRF على قمة رنين واحدة قريبة من هذا التردد، كما هو موضح في الشكل 3.
6. ارسم مجال الضغط داخل الخزان، كما هو موضح في الشكل 4. يجب أن يحتوي وضع الرنين المختار على عقدة ضغط واحدة على الأقل في الجزء الداخلي من الحاوية ، حيث سيتم احتجاز الفقاعة الصوتية.
7. عند تصميم الخزان ، صمم وجها علويا متحركا مع أخدود توجيهي على كل حافة لإغلاق وجوه الخزان بإحكام. حفر حفرة صغيرة في الوجه العلوي من أجل ملء الخزان مع الوسط السائل.
8. ضع خزان المياه فوق إطار محلي الصنع يحتوي على محول الموجات فوق الصوتية (نوع Langevin، تردد اسمي 31.2 كيلو هرتز). استخدم جل تخطيط صدى الصوت لإقران محول الطاقة بالجدار السفلي للخزان.
9. ضع نظام الخزان والإطار فوق طاولة إزاحة ثلاثية الاتجاهات مع مسامير ميكرومترية.
10. املأ الخزان بفلتر دقيق ومنزوع المعادن وماء (غير منزوع الغازات ، الحجم ~ 500 مل ، تشبع الأكسجين حوالي 8 مجم · ^L-1).
    ملاحظة: إن استخدام الماء غير المنزوع الغاز بدلا من التفريغ يجعل من الممكن الحفاظ على فقاعات مستقرة طوال مدة التجارب. سيؤدي استخدام الماء الذي تم تفريغه إلى تسريع تقلص الفقاعات بسبب انتشار الغاز ، حتى لو تمت موازنته قليلا بالانتشار المصحح (بوساطة الموجات فوق الصوتية).

2. توليد الفقاعات والمعايرة الصوتية

1. قم بإعداد الإعداد التجريبي المستخدم لنواة الفقاعات المستحثة بالليزر والإثارة الصوتية والتسجيل عالي السرعة (الشكل 5 أ ، ب ، ج). يتكون الإعداد التجريبي من (أ) نظام الرفع الصوتي ، (ب) مصدر طاقة الليزر و (ج) رأس الليزر ، (د) عدسة مقعرة كروية واحدة ، (ه) عدسة مقعرة مستوية وعدسة لا كروية واحدة ، (و) الكاميرا عالية السرعة ، (ز) الصمام الثنائي الباعث للضوء المستمر. في وقت لاحق ، لقياسات تدفقات السائل (الشكل 5 د) (H) مصدر ليزر موجة مستمرة واحد ، (I) ستتم إضافة عدسة أسطوانية مستوية مقعرة متبوعة بعدسة أسطوانية مستوية مقعرة يتم إدخالها خلف العدسة الأولى وموجهة على المحور المتعامد.
2. قم بتوصيل محول الموجات فوق الصوتية بمولد وظائف. اضبط إشارة الإثارة على النحو التالي: شكل الموجة الجيبية ، الموجة المستمرة ، التردد 31.2 كيلو هرتز. السعة هي المعلمة المتغيرة الوحيدة.
3. ضع العدسة (D) على مسافة 6 سم تقريبا أمام رأس الليزر (C).
4. ضع العدسة (E) على مسافة 12 سم تقريبا أمام العدسة (D).
5. ضع خزان المياه (A) بحيث توجد نقطة تركيز الليزر داخل خزان المياه ، مما يؤدي إلى توليد شرارة لكل نبضة ليزر (5-10 مللي جول). يجب أن تكون شرارة الليزر على بعد حوالي 3 سم تحت مضاد الضغط المستهدف.
   ملاحظة: بدون الموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة) ، سترتفع الفقاعة ذات النواة بالليزر إلى الوجه العلوي بسبب الطفو.
6. قم بتشغيل محول الموجات فوق الصوتية. قم بزيادة الجهد المطبق حتى لا ترتفع الفقاعة عموديا ولكنها تنحرف نحو مضاد الضغط ، وللحصول على ضغط مرتفع كاف ، محاصرة.
7. اضبط الإضاءة الخلفية (الصمام الثنائي الباعث للضوء المستمر) والكاميرا عالية السرعة لمراقبة الفقاعة المحاصرة.
   ملاحظة: عند نواة فقاعة جديدة باستخدام شرارة ليزر ، من السهل التقاط مسار الفقاعة التي تقترب من موقع محاصرتها.
8. حرك موقع شرارة الليزر داخل خزان المياه بحيث يظل مسار الفقاعة داخل المستوى البؤري للكاميرا.
9. قم باحتجاز فقاعة واحدة والتقط تذبذباتها الشعاعية باستخدام المعلمات التالية: حجم الإطار 128 × 128 بكسل ، معدل الاستحواذ 180 كيلو هرتز. ويرد مثال على التذبذبات الشعاعية ذات السعة الكبيرة على مدى فترتين صوتيتين في الشكل 6. يتراوح حجم فقاعات الغاز النموذجية من 30 إلى 80 ميكرومتر.
10. سجل التذبذبات الشعاعية للفقاعة خلال 3 إلى 30 مللي ثانية من أجل التقاط مئات إلى آلاف تذبذبات الفقاعات. كرر هذا التسجيل لزيادة الفولتية المطبقة للمحول. الفولتية المطبقة النموذجية في حدود 0-8 فولت.
    ملاحظة: عند تعديل الجهد المطبق ، يتحرك موقع توازن الفقاعة المحاصرة عموديا قليلا. لمتابعة التذبذبات دون تحريك الإضاءة الخلفية والكاميرا ، ضع النظام (محول الطاقة وخزان المياه) على طاولة متحركة ثلاثية الاتجاهات بدقة ميكرومترية.
11. قم بتشغيل محول الموجات فوق الصوتية والتقط صورة واحدة للخلفية للتحليل اللاحق.
12. بعد معالجة سلسلة الفيديو باتباع هذا الإجراء:
    1. قم بتشغيل الملف القابل للتنفيذ VoltagePressure.exe. يجب فتح الواجهة الموضحة في الشكل 7 .
       ملاحظة: البرنامج النصي متاح كمستند تكميلي.
    2. حدد المعلمات الفيزيائية والتجريبية في العمود الأيسر (الشكل 7 أ).
    3. حدد قيم الجهد المطبق لسلسلة التسجيلات في الجدول السفلي الأيمن (الشكل 7 ب).
    4. في لوحة تحليل نصف قطر الفقاعة ، انقر فوق تحميل المعلمات (الشكل 7C) وحدد المجلد الذي يحتوي على جميع ملفات سلسلة الفيديو الخاصة بك ، ثم صورة الخلفية (إلزامي).
    5. يسمح بالاختيار بين تحليل جميع مقاطع الفيديو مرة واحدة ، بالنقر فوق تلقائي ، أو واحدا تلو الآخر بالنقر فوق خطوة بخطوة.
    6. لكل ملف فيديو ، يتم رسم تطور نصف قطر الفقاعة على مدى فترة صوتية واحدة ، ويتم تثبيت ملاءمة رقمية. يتوافق المنحنى الأحمر مع نمذجة رايلي-بليسيت الخطية. يتم عرض نصف قطر فقاعة التوازن (الشكل 7D).
    7. وفقا للتركيب العددي ، يتم عرض الضغط المطبق لهذا الجهد في لوحة الرسم البياني للضغط (الجهد) (الشكل 7E). يتم عرض قيمة الضغط المطبق أيضا في الجدول السفلي الأيمن (الشكل 7 ب). الضغوط المطبقة النموذجية المقابلة لديناميكيات الجهد 0-8 فولت هي 0-25 كيلو باسكال.
    8. بمجرد معالجة جميع مقاطع الفيديو ، انقر فوق الانحدار الخطي زر لإجراء ملاءمة خطية لمنحنى الضغط / الجهد. يتم حفظ البيانات (قيم الجهد والضغط) في ملف .txt موجود في الدليل الحالي. يتم توفير منحدر الملاءمة.

3. تقنية الالتحام

1. قم بتشغيل محول الموجات فوق الصوتية. اضبط الجهد المطبق بدرجة كافية بحيث قد يؤدي الضغط الصوتي المقابل إلى عدم استقرار السطح ، وفقا لمخطط الضغط العددي / نصف القطر لمناطق عدم الاستقرار ، كما هو موضح في الشكل 8.
2. قم بنواة فقاعة ، والتي ستنتقل بعد ذلك إلى موقع محاصرتها. إذا كانت الفقاعة المحاصرة تظهر تذبذبات كروية فقط ، فانتقل إلى الخطوة التالية. إذا ظهرت تذبذبات غير كروية:
   1. قم بإيقاف تشغيل طاقة الموجات فوق الصوتية للسماح للفقاعة بالارتفاع إلى السطح العلوي.
   2. قم بتعديل طاقة الليزر (عن طريق الضبط الدقيق على بضعة مللي جول) أو تقليل جهد محول الطاقة.
   3. قم بتشغيل طاقة الموجات فوق الصوتية.
   4. نواة فقاعة جديدة.
   5. كرر هذا الإجراء حتى يؤدي حجم الفقاعة إلى تذبذبات كروية بحتة.
3. عندما تظهر الفقاعة المحاصرة تذبذبات كروية فقط ، قم بتوليد شرارة ليزر جديدة. عندما تصل الفقاعة الجديدة إلى موقع الاصطياد ، يحدث الاندماج.
4. إذا أظهرت الفقاعة المدمجة تذبذبات كروية فقط ، فقم بإنشاء فقاعة جديدة. قد يكون من الضروري وجود اندماجات متعددة للوصول إلى نصف قطر الفقاعة الذي تحدث عنده تشوهات غير كروية. يوضح الشكل 9 مثالا على اندماج الفقاعات الذي يؤدي إلى تذبذبات غير كروية.
5. بمجرد أن تظهر الفقاعة المدمجة تذبذبات غير كروية ، سجل تذبذبات الفقاعة لمدة 3 إلى 30 مللي ثانية تقريبا.
6. حدد رقم وضع تذبذبات الشكل بالرجوع إلى الشكل 10.

4. قياسات تدفق السوائل

1. في حالة قياسات التدفق الدقيق للتجويف ، يجب إضافة جزيئات التتبع الفلورية إلى الماء قبل نواة الفقاعة. في هذه الدراسة ، تم استخدام جزيئات 0.71 ميكرومتر (جدول المواد). إنها صغيرة بما يكفي لتكون شفافة صوتيا (لا تتأثر بقوة الإشعاع الصوتي) وتتبع التدفق بدقة وكذلك كبيرة بما يكفي لتشتيت ضوء الليزر. استخدم ثلاث قطرات لحجم خزان المياه ، المقابلة تقريبا 2.10⁴ جزيئات / مم³.
2. قبل أخذ القياسات ، قم بتعيين المعلمات التالية لالتقاط كل من ديناميكيات الفقاعة (مقياس زمني سريع) وتدفق السوائل (مقياس زمني منخفض):
   1. قم بإنشاء تقسيم لقرص تسجيل الكاميرا.
   2. بدلا من ذلك ، حدد معلمات التسجيل على النحو التالي:
      1. معدل الإطارات 180 كيلو هرتز ، وحجم الإطار 128 × 128 بكسل ، ووقت التعرض 1 μs لتسجيل واحد لديناميكيات واجهة الفقاعة
      2. معدل الإطارات 600 هرتز ، وحجم الإطار 1024 × 768 بكسل ، ووقت التعرض 1 مللي ثانية لتسجيل واحد لحركة متتبعات الأصباغ.
3. استخدم الليزر المستمر.
4. قم بإنشاء ورقة ليزر رقيقة عن طريق السماح لشعاع الليزر بالمرور عبر عدسة أسطوانية مستوية مقعرة وعدسة أسطوانية مستوية محدبة موجهة على محور متعامد. يمكن الحصول على عرض شعاع يبلغ حوالي 160 ميكرومتر.
5. قم بإعداد ورقة الليزر لتتوافق مع مستوى التصوير:
   1. اضبط الليزر على جهاز متحرك بحيث يمكن تحريك ورقة الليزر بالتوازي مع مستوى التصوير.
   2. اضبط الموضع بحيث تكون الجسيمات المضيئة مرئية بواسطة الكاميرا.
   3. نواة وحبس فقاعة.
   4. اضبط موضع ورقة الليزر بشكل أكبر ، بحيث يصبح الظل مرئيا خلف الفقاعة. توجد الفقاعة الآن داخل لوح الليزر، كما هو موضح في الشكل 11.
6. حث على اندماج الفقاعات حتى يظهر وضع الشكل المتذبذب بشكل ثابت.
7. قم بإجراء العديد من التسجيلات بالتبديل ذهابا وإيابا بين ديناميكيات الفقاعات والبث المصغر.
   ملاحظة: قم بإيقاف تشغيل الليزر المستمر عند عدم الحاجة إليه. يمكن أن يخلق التسخين تدفقات حمل حراري غير مرغوب فيها. أيضا ، قم بإيقاف تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء عند إجراء قياسات تدفق التدفق.

5. معالجة الصور لتصور أنماط البث الدقيق للتجويف

1. قم بتثبيت برنامج التصور ImageJ لمعالجة الصور وتحليلها في Java. قم أيضا بتثبيت البرنامج المساعد CINE File Reader لفتح ملفات الكاميرا عالية السرعة.
2. انقر فوق ملف | استيراد | CineFile وحدد الفيديو *.cine الذي يحتوي على التقاط حركة الجسيمات.
3. حدد استخدام مكدس افتراضي في النافذة الجديدة ، تم تحميل الفيديو الآن.
4. لمراقبة حركة الجسيمات دون عرض نمط البث ، انقر فوق صورة | ضبط | السطوع / التباين | تلقائي. يتم الآن استبدال الخلفية المظلمة بصورة محسنة تلقائيا.
5. لعرض النمط الناتج ، انقر فوق صورة | مداخن | Z Project واختر خيار الكثافة القصوى لعرض الصورة. يتم عرض صورة مخرجات ذات بيكسلات تحتوي على القيمة القصوى على كل الصور في المكدس. اضبط تباين الصورة كما هو موضح في الخطوة 5.4، إذا لزم الأمر.
   ملاحظة: يتم الحصول على نمط تدفق مثل تلك الموضحة في الشكل 12 ب والشكل 12 د .

النتائج

يتم عرض تسلسل كامل من اندماج الفقاعات مما يؤدي إلى تذبذبات غير كروية مستقرة زمنيا ويتم التحكم في التناظر فيها في الشكل 9. تنتهي مرحلة الاقتراب من فقاعتين متذبذبتين كرويا عندما يتمزق الفيلم السائل الرقيق بين الفقاعتين. تجدر الإشارة إلى أنه في المرحلة الأخ?...

Discussion

يتكون الإجراء المقدم من استخدام اندماج الفقاعات من أجل تحفيز تذبذبات شكل الفقاعة المستقرة التي يتم التحكم فيها بالتماثل ، مما يسمح بدراسة تدفق السوائل على المدى الطويل الناجم عن هذه التذبذبات. التحدي الرئيسي في هذه التقنية هو التحكم في التذبذبات غير الكروية للفقاعة المحاصرة ، بعيدا عن أ?...

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