Induktion von Mikroströmungen durch nichtsphärische Blasenschwingungen in einem akustischen Levitationssystem

Wenn sie sich in der Nähe biologischer Barrieren befinden, können oszillierende Mikrobläschen die Durchlässigkeit der Zellmembran erhöhen und so die Internalisierung von Medikamenten und Genen ermöglichen. Experimentelle Beobachtungen deuten darauf hin, dass die vorübergehende Permeabilisierung dieser Barrieren auf Scherbeanspruchung zurückzuführen sein könnte, die durch Kavitations-Mikrostreaming auf das Zellgewebe ausgeübt wird. Kavitations-Mikrostreaming ist die Erzeugung von Wirbelströmungen, die um oszillierende Ultraschall-Mikrobläschen entstehen. Um solche Flüssigkeitsströmungen zu erzeugen, müssen Blasenschwingungen von rein sphärischen Schwingungen abweichen und entweder eine Translationsinstabilität oder Formmoden enthalten. Experimentelle Untersuchungen von blaseninduzierten Strömungen und Scherspannungen auf benachbarten Oberflächen sind oft in ihrem Umfang eingeschränkt, da es schwierig ist, Formverformungen von Mikrobläschen stabil und kontrollierbar zu erfassen. Wir beschreiben den Aufbau einer akustischen Schwebekammer zur Untersuchung symmetriegesteuerter nichtsphärischer Schwingungen. Eine solche Kontrolle erfolgt durch die Verwendung einer Koaleszenztechnik zwischen zwei sich nähernden Blasen in einem ausreichend intensiven Ultraschallfeld. Die Kontrolle nichtsphärischer Schwingungen eröffnet den Weg zu einer kontrollierten Kavitations-Mikroströmung einer freien oberflächenoszillierenden Mikroblase. Kameras mit hoher Bildrate ermöglichen es, quasi gleichzeitig die nicht-sphärische Blasendynamik auf der akustischen Zeitskala und die Flüssigkeitsströmung auf einer niedrigeren Zeitskala zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass eine große Vielfalt von Fluidmustern erhalten werden kann und dass diese mit dem modalen Inhalt der Blasengrenzfläche korreliert sind. Wir zeigen, dass selbst die Formmoden hoher Ordnung Fluidmuster über große Entfernungen erzeugen können, wenn die Grenzflächendynamik mehrere Moden enthält, was das Potenzial von nicht-sphärischen Oszillationen für eine gezielte und lokalisierte Wirkstoffabgabe unterstreicht.