Name: studying cavitation enhanced therapy
Uploaded: 2021-04-09T13:00:00
Duration: 7 min 36 s
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作者感谢工程和物理科学研究理事会通过授予EP/L024012/1支持这项工作。VB还得到工程和物理科学研究理事会 （EPSRC） 和医学研究理事会 （MRC） （授予 EP/L016052/1） 的支持。VB 和 AV 感谢克拉伦登研究生奖学金基金会。AV还感谢埃克塞特学院获得桑坦德奖学金。作者感谢詹姆斯·菲斯克和大卫·索尔兹伯里在仪器制造方面提供的宝贵帮助。他们还感谢达里奥·卡鲁戈博士和约书亚·欧文博士在开发早期原型SAT方面的贡献。

作者没有什么可透露的。

Apfel 于 198176年将任何声学测量的关键步骤封装为"了解你的液体，了解你的声音场，知道什么时候发生"。在本协议中，这些包括传感器校准和对齐以及水准备和气泡处理步骤。首先，用于校准驱动传感器的水听器和/或 PCD 本身必须通过定期外部服务或内部比较与参考标准进行精确校准。同样，驾驶传感器和 PCD 的反应需要定期进行特征，以检查输出和/或敏感性损失的任何变化。如果系统的驾驶条件和接收灵敏度未知，则无法推断暴露条件、生物效果和声学排放之间的任何有意义的关系。与此直接相关的是，需要仔细检查转导器与样品室之间的对齐，以确保腔室内的暴露条件如预期的那样，PCD 的采样量与感兴趣的区域相对应。如前所述，悬浮介质的温度和气体含量可显著影响最终结果，而一致性在这方面极为重要。同样，对空腔剂悬架的制备、定型和处理也需要非常密切的注意，以确保样品中存在粒子的预期大小分布和浓度。例如，如果气泡浓度过高，将有效保护样本量免受事件美国字段的保护。MB 制剂特别容易受到破坏和凝聚，在 Mulvana 等地可能会找到有关其处理的进一步指导。al. （2012）79.
检测空腔信号的一个常见问题是实现足够的 SNR。这在一定程度上是由于信号本身的性质，如所述，但也可能是由于实验设置中的电噪声来源。检查系统组件之间的连接，特别是涉及共轴电缆的连接，可能有助于消除其中一些连接。可能需要更换或修复共轴电缆。识别和拆卸实验室中可能导致电气噪音的其他设备（如泵）也可能有帮助。系统部件之间的电气阻抗匹配不良可能是信号与噪声比差的进一步原因，也可能导致设备损坏，应仔细检查。信号发生器和示波器上的触发设置同样应检查，以确认它们为实验进行了适当配置，并且尚未恢复到制造商默认设置。如果在处理过程中气泡受到重大破坏，在 SAT2 的情况下，将第二个注射器连接到出口端口并用它来轻轻地从舱中提取液体，从而在悬架中抽取液体可能会有所帮助。如果需要，这也有助于消除美国风险敞口期间的宏气泡或启用流量。
不可能完全消除样品室内的声学反射，因此事件场不会完全统一整个样品体积。如步骤 1.3.2 和 1.3.3 所述，声学窗口的可传输性将依赖于频率，因此应仔细考虑声学发射测量所需的带宽。特别是，高频组件可能有显著的多重反射。这也是为什么在完全组装的系统内校准字段对于最大限度地减少事故压力的不确定性如此重要的另一个原因。还应考虑对记录的信号进行适当的门控，以尽量减少多次反射的影响。为了方便和需要声学透明度而使用商业设备意味着必须牺牲一些光学透明度。这可能会影响后续成像的质量，例如，评估细胞生存能力或药物吸收。商业设备中使用的一些膜也是多孔的，因此，样品室和周围的水浴之间会发生不完美的隔离。如上所述，使用较小的子腔室可以减轻相应的污染风险，其内容可以定期更换。 材料表 中指出的细胞培养装置主要适用于可能不代表组织的所有美国/腔介质生物效应的细胞单层。细胞接近固体表面也会影响MB动力学，其方式可能无法反映体内的条件，例如，促进引入中描述的微流和微喷射。然而，这些限制可以通过简单的替代组织模型来解决。
提出SATs的目的是在研究美国调解的生物效应之间提供一种提高声学暴露条件和声学排放可重复性的手段，从而有望促进更好地了解基础机制，并开发治疗监测技术，以提高安全性和有效性。这些系统设计为与市售的细胞培养设备兼容，使各种生物检测能够根据兴趣的应用进行，并能够实现高吞吐量实验的性能，从而无需在运行之间耗时对齐程序。通过标准化暴露条件特征和捕获声学排放的协议，有望降低系统依赖性变异性。为特定实验应探索的参数范围将取决于应用（所需的生物效应、细胞类型、如果在体内的目标组织深度等）以及正在使用的任何气穴剂的性质。鉴于大量变量（美国频率、压力振幅、脉冲长度、脉冲重复频率等），充分探索整个参数空间不太可能是可行的。拟议协议的一个优点是，它使这个参数空间上的某些界限能够迅速建立起来。例如，它能够确定产生气穴信号的最小压力、细胞分离/死亡发生前可使用的最大压力或脉冲长度，以及产生分数谐波或宽带噪声的压力。建议将这一套范围测量作为任何研究的第一步进行。
如前所述，SAT 设计用于声学排放的实时监控，在实验之外进行生物检测。但是，修改 SAT 以便通过显微镜目标直接光学观察样品室相对简单。这反过来又可以与荧光和/或高速显微镜系统相结合，以便观察药物吸收和气泡动力学，例如。目前从电压方面呈现的PCD输出表示：i） 空腔行为的类型及其相对比例：ii） 这些空腔行为持续多久：iii） 观察到的时间累积暴露特征是否与特定的生物效应相关：和 iv） 相对水平和时间依赖行为是否与暴露系统中以前的实验一致。虽然 PCD 的接收灵敏度可以量化，但为了以绝对能量可靠地描述声学排放，还需要额外的空间信息。这可以通过用阵列探头替换 PCD 来实现，从而实现被动声学映射 （PAM）80。然而，这将增加信号处理的复杂性以及所需的计算时间和功率。
还可以采用其他测量膜电阻或应用物理定位方法（例如磁场）的仪器。也可以在声学"软"凝胶基板上使用三维组织结构，如肿瘤球体、器官，甚至前活体组织样本，以代替细胞单层，研究美国和在更逼真的组织环境中的空腔介质效应。

超声波（美国）由于其安全性和非侵入性、患者床边的易于实施以及成本效益，被广泛用作诊断成像技术。除了诊断和监测能力外，美国在治疗应用方面具有相当大的潜力。早期工作探索了它在血栓溶解中的使用， DNA传染和药物输送2，3，4和治疗美国现在代表一个非常活跃的研究领域，应用包括肿瘤治疗5，6，7，免疫疗法8，9，血脑屏障（BBB）中断10，11，12，血栓溶解13，14，15，和细菌感染治疗16，17。支撑这些应用的一个关键现象是气穴：由于流体压力18、19的变化，气腔的核化、生长和振荡。
有一系列机制，通过它，空穴产生生物效应。例如，受应用的美国领域影响，气泡振荡的高度非线性可以在周围的液体中产生微流，既能增强药物对流20，又能对气泡附近的组织施加剪切应力。当气泡在边界附近时，这种情况尤其普遍，导致气泡在非球形地振荡，并可能通过剪切诱发的渗透21、22、23、24促进药物的吸收。在较高的压力下，观察到较大的振幅振荡和快速气泡崩塌，直接产生机械应力25，并频繁产生冲击波，并由此产生大的压力梯度，可以破坏和渗透组织26，27。表面附近的气泡破裂也可能导致高速液体微喷射器的形成28、29、30。这些微喷射可以穿透组织，可能产生毛孔或诱导继发应力波31，32。生物膜在组织和细胞水平上的渗透被称为声素沉着症，主要用于美国诱导的皮肤渗透性增强33、34和声波化，主要用于描述细胞膜因形成膜毛孔35、36而引起的可逆渗透。
粘液吸收在液体周围紧接着的振荡气泡可以产生实质性的加热效果37。此外，高度非线性振荡产生的声学辐射频率高于驱动美国领域。这导致周围组织的吸收增加，并进一步加热38。气泡破裂也可能伴随着化学效应，由于气泡核心的瞬时高温和压力，如产生高反应物种和电磁辐射，称为声发光32。这些影响已被调查，以评估潜在的损害和/或激活相关的细胞通路交付39和利用在当地激活光敏药物的方法称为声动力疗法40，41，42，43。
许多美国调解的生物效应可能仅通过控制美国场参数（压力振幅、频率、脉冲长度和重复频率以及暴露持续时间）而启动，但可靠地在生物组织中产生空腔通常需要高投入能量，因此具有较高的损伤风险。引入外源性或人工气穴核可能会大大降低产生上述广泛效果所需的输入能量，并进一步引入可能仅靠美国无法达到的其他效果。气泡核包括气泡26、44、液滴45、46、47和固体颗粒48、49、50，纳米级气泡核是研究的新兴领域，其优点是循环时间长、外泄改善和长期空腔活动49、51、52、53。
最常用的核是气体微泡（MBs），最初用作诊断成像中的对比剂。它们通常直径为1-2微米，包含高分子量气体的核心，周围介质中低含血性。核心周围有一个保护性脂质，蛋白质，或聚合物壳，最常见的由磷脂54组成。当暴露在美国领域时，MBs 的可压缩性会导致它们经历体积振荡，从而产生强烈的声学散射，这是 MBs 作为对比剂的成功原因。如前所述，这些振荡还会导致上述机械、热和化学效应，可用于治疗应用。MB 涂层过程还提供了一个机制，用于在 MB 结构内封装药物，并将药物和/或目标物种连接到 MB 表面。这项技术有助于药物的触发释放，以减少全身毒性55。最近还表明，从MB表面的材料可以转移到生物结构，通过所谓的"索诺打印"56，57，58加强药物输送。
监测美国调解的空腔活动可以深入了解由此产生的体外和体内生物效应，并有可能使这些影响的调整和优化。监测气泡活动的两种应用最广泛的方法是：（一）光学，它使用超高速视频显微镜，在体内通常不可行： 二）声学，记录振荡和/或坍塌气泡产生的重新辐射声场。声学信号的振幅和频率组件都包含有关气泡行为的信息。低事故美国振幅下低浓度气泡已证明主要产生谐波排放（驾驶频率的整数倍数）59。随着驱动压力的增加，气泡发射光谱可能还包含称为亚和声波和超谐波60 的分数组件，这些组件表示更强的非线性行为，以及表示惯性空腔的宽带噪声。整数谐波是气泡振荡的主要指标，但也可能是由实验系统中任何地方的非线性引起的，例如，由于非线性传播。相比之下，分数谐波和宽带噪声与气泡动力学密切相关。
气泡行为与探测声学排放的关系可能因事件美国场、核环境、探测路径60的特性等因素而复杂化。然而，通过辨别声谱中频率和能量的趋势，可以获取有关气泡行为及其与细胞相互作用的重要信息。这些数据还可以提供有价值的信息，可用于形成临床治疗监测技术的基础。为了充分利用这些信息，需要开发强大、可翻译和可重复的实验方法。
目前，报告的系统设计协议和开展支持空腔辅助疗法开发的研究存在重大差异。就设备而言，已经采取了一系列设计方法。几个组已经利用平行板室56，61，62，63，无论是定制或商业可用（如OptiCell，瑟莫菲舍尔科学）。胡等人（2013年）开发了一个细胞室，结合美国声波模块和实时对焦成像64，卡鲁戈等人。 （2015） 使用一个系统，包括一个市售的细胞培养盘与定制的PDMS盖，允许在美国曝光65期间在水浴中潜水，和Pereno等人（2018年）使用一个设备，由分层的醋化共振器，允许气泡动力学和气泡细胞相互作用的同步光学和声学特征66。自定义制造和应用特定设计的使用使美国领域和其他环境暴露条件的描述复杂化，使得交叉研究比较具有挑战性。例如，为成功实现声波化而确定的美国参数存在相当大的差异，包括 0.02 至 15 MHz 的中心频率、从 1% 到连续波的值周期以及 0.1 到 20 MPa 23、64、67、68、69、70（表 1）的罕见成量压力。光谱成分（谐波、亚谐波等）也有类似的显著变化，这些成分已被确定为与特定的生物效应有关。
因此，这项工作的目的是为空腔诱导细胞生物效应的体外研究提供一个易于重复的系统设计和实施框架，并具体纳入空腔监测能力。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Absorber</td>
			<td>Precision Acoustics</td>
			<td>APTFlex F28 panel</td>
			<td>1.0 cm standard thickness</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Amplifier (power)</td>
			<td>E&#38;I Ltd.</td>
			<td>1040L</td>
			<td>400W power amplifier to drive ultrasound source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Amplifier (pre)</td>
			<td>Stanford Research Systems</td>
			<td>SR445A</td>
			<td>Fixed gain multi-stage preamplifier for PCD signals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aquarium heater</td>
			<td>Aquael</td>
			<td>Ultra 50W</td>
			<td>Different models for different tank sizes.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digitizer</td>
			<td>TiePie Engineering</td>
			<td>HS5-110-XM</td>
			<td>Extended memory option: 32M points per channel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrophone</td>
			<td>Precision Acoustics</td>
			<td>FOH</td>
			<td>0.01 mm diameter sensitive area minimises directivity effects</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microbubbles</td>
			<td>Bracco</td>
			<td>SonoVue</td>
			<td>FDA approved microbubbles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PCD mirror (SAT3)</td>
			<td>Olympus NDT</td>
			<td>F-102</td>
			<td>90 degree beam reflection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PCD transducer</td>
			<td>Olympus NDT</td>
			<td>V320-SU</td>
			<td>Immersion transducer, 7.5MHz</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PCD waterproof cable</td>
			<td>Olympus NDT</td>
			<td>BCU-58-1 W</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PDMS (SAT2 compartment lid)</td>
			<td>Corning</td>
			<td>Sylgard 184</td>
			<td>See Carugo et al. (2015) for preparation guidelines</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polymer rod (SAT2 seal)</td>
			<td>Zeus</td>
			<td>PTFE monofilament</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber plug (SAT3 lid/seal)</td>
			<td>VWR</td>
			<td>391-2101</td>
			<td>6mm bottom dia., 8mm top dia., red</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Signal generator</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>33250</td>
			<td>Waveform generator for ultrasound source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Substrate for cell exposure compartment, SAT2</td>
			<td>Ibidi</td>
			<td>&#181;-Dish 35mm</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Substrate for cell exposure compartment, SAT3</td>
			<td>Corning</td>
			<td>Transwell 6.5mm</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound source (SAT3)</td>
			<td>Sonic Concepts</td>
			<td>H107 with central hole</td>
			<td>Use of a HIFU-capable source allows pressures &#62;1MPa to be generated both at the focus and pre-focally for expanded spatial coverage</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

studying cavitation enhanced therapy

对超声波治疗应用的兴趣是显著且不断增长的，潜在的临床目标从癌症到阿尔茨海默病不等。气穴化 - 超声场内气泡的形成和随后运动 - 是支撑许多此类治疗的关键现象。然而，在空腔促进治疗效果的详细作用机制方面仍然存在相当大的不确定性，需要开发可靠的监测技术，以便临床实施。特别是，在报告的暴露参数研究成功提供治疗效果和相应的声学排放之间存在显著差异。本文的目的是提供设计指南和实验方案，使用广泛可用的组件进行气穴介导生物效应的研究，并包括实时声学监测。希望该议定书能够更广泛地将声学监测纳入治疗性超声波实验，并有助于在暴露条件及其与相关生物效应相关性的研究之间进行更简单的比较。

图4显示了时间和频率域PCD响应的示例，说明了三种不同的空穴行为。所有数据均使用 SonoVue MBs 在 PBS 中稀释 5 倍在 SAT3 上收集，最终浓度为 ±2*107 MB/ml。本节中所有示例的温度为 19 ± 1 °C。 美国源在0.5 MHz驱动2.0毫秒脉冲，达到0.20（图4A和4B）、0.30（图4C和4D）和0.70 MPa（图4E和4F）的事故峰值负压。信号记录开始于美国脉冲的 t = 0 开始前 1.4 毫秒。内置的痕迹显示信号为记录（红色），并带有 2 MHz 高通滤清器（蓝色），时间窗口集中在从源到单元暴露舱到 PCD 的飞行时间窗口。在此之前的低级别响应是由于直接接收来自源的辐射，这在 PCD 落后于美国源的配置中很常见。
在最低事件压力下，PCD 响应完全由 0.5 MHz 基本美国频率的整数谐波组成。从 0.20 增加到 0.30 MPa，除了进一步提升整数谐波外，还会导致频谱中明显的超谐波。这两种压力的时间域波形看起来相似，尽管 0.30 MPa 结果显示脉冲持续时间的变异性更大。在最大压力下，由于频谱中可见的宽带噪声明显升高，时间域波形振幅相对于较低压力的非线性增长。这种噪音通常被认为是惯性空腔的结果，在此示例中，对应于 MB 的破坏。
为了更清楚地看到这一点，PCD 响应作为时间函数显示在 图 5 中。在左面板（图 5A）中，全光谱显示在 50 秒的曝光时间内，在此期间，源每 0.20 秒发出 2.0 毫秒的脉冲。相应的总、谐波和宽带电源显示在右面板（图5B）中。美国在3 。0时开启，当时可以看到大振幅宽带响应。最初的峰值被认为与悬架中最大气泡的破坏相对应（SonoVue 是多散射），是在空壳气泡的空腔实验中，甚至与非气态介质（如 PBS）的空腔实验中常见的观察。
几秒钟后，宽带响应迅速减弱，显然是由于气泡破坏，信号主要由谐波组成。这表明释放的气体和剩余的 MB 正在稳定且非内力地振动。在 50 年代，宽带组件已降至原始背景噪音的水平。因此，当试图了解不同气泡效应对腔室细胞的作用的时间尺度时，像这样的暴露测试很重要。
气泡可能会转化为对美国暴露过程中产生的辐射力，以及 MBs 进出 PCD 视场时，可能导致监测到的气穴信号的变异性增加，尤其是在处理稀释悬浮时。因此，PCD 的敏感区域应尽可能多地跨越细胞暴露表面。图6中显示了具有相同中心频率的聚焦和非聚焦 PCD 的比较，在正常 PBS 中使用 MB 的 20：1 稀释是 SAT2。面板图6A中的时间和样本平均光谱显示，未聚焦的PCD包含更强的宽带响应，同时谐波（图6B）和超谐波功率（图6C）的样本对样本变异性降低。
重要的是要认识到，用于体外细胞工作的介质没有脱气，并可能呈现增强的气泡活动的背景水平。 图7 显示了供应商提供的形式使用的PBS的SAT2响应，在真空下两个小时的脱气后，空气饱和度从92%降低到46%，这是用光学传感器确定的（德国PreSens）。 图 7A 中的光谱在暴露时间内平均值，并重复了五个独立样本，并清楚地显示正常 PBS 中明显升高的超谐波。三种谐波（图7B）所总结的功率在每个实验输出的标准偏差范围内。相比之下， 图7C 中的超谐波总和表明，正常PBS的样本之间具有近一个数量级的较高级别和高得多的变异性。这些示例表明，常见的细胞兼容介质可能表现出可能（错误地）归因于 MB 存在的行为。由于对细胞和/或气穴剂稳定性的负面影响，去气培养介质通常不切实际，因此在任何与气穴相关的研究中执行适当的控制至关重要。
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/61989/61989fig1.jpg"> 图1：两个美国暴露系统设计的插图，包括腔监测：SAT3（D-F）。（A） SAT2 注释组件，侧壁被移除，以清晰明了。（B） SAT2 侧壁完好无损。（C） SAT2细胞暴露舱，拆解。（D） SAT3 注释组件。（E） SAT3 以正常（左）和透镜（右）配置进行光束宽度不同频率的匹配。（F） SAT3细胞暴露舱，拆解。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61989/61989fig1large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>

<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61989/61989fig02.jpg"> 图2：计算直径为12.7毫米的半振幅压力场轮廓（左）和球形聚焦（右）变流器。2、4 和 8 MHz 的频率分别显示为坐标原点的 PCD 元素（0，0）的红色、蓝色和绿色轮廓。未聚焦设备的最外侧轮廓对频率相对不敏感，但内部结构依赖于频率。球形聚焦的字段合约随着频率的增加而增加，但在轮廓内，字段变化平稳。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61989/61989fig02large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61989/61989fig03.jpg"> 图3：用于空腔信号调理和记录（蓝色箭头）、美国源激发（红线）和数据采集触发的仪器。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61989/61989fig03large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61989/61989fig04.jpg"> 图4：时间（左）和频率（右）域PCD响应记录与MBs稀释5倍在PBS。事件峰值负压为（A，B）0.2 MPa，（C，D）0.4 MPa，（E，F）0.7 MPa，全部为0.5 MHz。信号记录在t=0开始2.0毫秒超声脉冲之前开始1.4毫秒。（A、C、E）时间域信号（红色）显示在固定的垂直尺度上，指示响应级别如何随事件压力变化。内置的痕迹显示信号为记录（红色），并带有 2 MHz 高通滤清器（蓝色），时间窗口集中在从源到单元暴露舱到 PCD 的飞行时间窗口。（B、D、F）噪声和信号功率光谱密度分别计算为 t <0 和 t >0。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61989/61989fig04large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61989/61989fig05.jpg"> 图5：在PBS中稀释5倍的MBs暂停50秒的频谱历史。（A） 全光谱和 （B） 总、谐波和宽带信号功率，均作为时间函数。驱动条件为 0.5 MHz，0.7 MPa 峰值负压，2.0 ms 脉冲持续时间，200 ms 脉冲重复期。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61989/61989fig05large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61989/61989fig06.jpg"> 图6：在正常PBS中以20：1稀释微泡记录的PCD聚焦几何学的效果。驱动条件为：1.0 MHz、0.50 MPa峰值负压、3.0 ms脉冲持续时间、10ms脉冲重复期。（A） 暴露时间平均全光谱和三个独立样本重复。（B） 3、4 和 5 MHz 谐波的功率，以及 2.5、3.5 和 4.5 MHz 超谐波的功率。厚线是示例手段，阴影区域表示 +/- 1 标准偏差。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61989/61989fig06large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61989/61989fig07.jpg"> 图7：PBS记录的脱气介质的影响。（A） 暴露时间平均全谱和五个独立样本重复。（B） 3、4 和 5 MHz 谐波的功率，以及 2.5、3.5 和 4.5 MHz 超谐波的功率。厚线是示例手段，阴影区域表示 +/- 1 标准偏差。驱动条件为 1.0 MHz，0.50 MPa 峰值负压，1.0 ms 脉冲持续时间，200 ms 脉冲重复期。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61989/61989fig07large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>参数</td>
			<td>单位</td>
			<td>最低</td>
			<td>最大</td>
		</tr>
<tr>
<td>频率</td>
			<td>兆赫</td>
			<td>0.02</td>
			<td>15</td>
		</tr>
<tr>
<td>压力（峰值负）</td>
			<td>姆帕</td>
			<td>0.1</td>
			<td>20</td>
		</tr>
<tr>
<td>脉冲长度</td>
			<td>周期</td>
			<td>1</td>
			<td>连续</td>
		</tr>
<tr>
<td>值班周期</td>
			<td>%</td>
			<td>1</td>
			<td>连续</td>
		</tr>
<tr>
<td>曝光时间</td>
			<td>s</td>
			<td>10</td>
			<td>1000</td>
		</tr>
</tbody></table>表1：报告参数范围的摘要，促进 体外造影。

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Studying Cavitation Enhanced Therapy

所提出的实验协议可用于对细胞培养装置中的腔活性进行实时测量，以便能够调查成功提供药物和/或其他生物效应所需的条件。

研究屈化强化疗法

Interest in the therapeutic applications of ultrasound is significant and growing, with potential clinical targets ranging from cancer to ...

这些台式系统设计、数据收集和分析原理可作为体外研究空腔增强疗法的合理基础。我们的技术实现了高吞吐量测试，同时保留了间隔腔监测、可重复样品对齐和与常见细胞分析方法兼容等关键实验属性。屈化增强疗法具有多种潜在应用，包括癌症和中风等疾病的治疗。通过更好地了解基础机制，我们可以开发更好的疗法。这项工作提供了一个易于重复的系统设计和实施框架，使研究各种腔诱导细胞生物效应。包括药物输送、声波和索诺打印。获得有意义的结果需要确保重复性和控制实验中的所有变量。必须执行所有相关控制并测量电气噪音。为准备声学传输系统，在 100kPa 的压力下将填充液体除气至少两小时，以最大限度地降低传播路径中出现气穴的可能性。建议使用溶解氧探针确认氧气的部分压力低于 10kPa。缓慢填充测试室，以尽量减少空气重新引入脱气液体，并立即清除转导器和中等容器表面的任何残留气泡。允许超声源功率放大器根据制造商的建议进行加热，以便在时间上获得和输出稳定。并稀释气穴剂，同时轻轻地和连续搅拌，使一个均匀的悬架，而不会诱捕宏气泡或破坏剂。处理微气泡时，一定要小心处理。对于 SAT2 制备，在开始实验之前，使用乙醇对 PDM 盖进行消毒。按压将消毒盖安装到培养皿中，形成细胞隔间，并装载一个 10 毫升注射器，配备 18 个仪表钝针和 10 毫升填充液体。将针头插入其中一个 PDM 填充孔，在倾斜时缓慢填充腔室，以便微气泡可以通过打开的填充孔逃逸。填充腔室后，将四到五毫米的聚合物棒插入开孔中，并将组件定位，使孔处于水平状态。在注射额外液体时取出针头，以免空气被抽入腔中，并用另一根聚合物棒关闭填充孔。目视检查隔间是否有被包裹的宏观气泡的证据，并按下将细胞暴露隔间放入隔间支架中。考虑悬浮粒子的浮力，以及它们的浮力在决定细胞暴露舱的方向时将如何影响它们与细胞的接触。然后以水平角度降低腔盖，以阻止宏气泡在设备的水下部分休息，将盖子安装到腔室顶部。在进行实验测量之前，允许悬架与室温热平衡。使用细针热电偶确认室内温度已稳定。要实时监控实验，包括时间和频率域，请启动数据收集过程并打开超声波源驱动信号。使用高压探头监控在整个实验中驱动超声波源的放大器输出信号，以确保暴露按预期进行。并确保示波器被设置为补偿探针衰减。被动空穴探测器的时间域监测显示当前仪器设置的信号大小是否适当，以及是否比预期更早看到空穴信号。频率域监控允许分析气泡行为的类型，并可用于根据需要调整驱动水平，以实现所需的细胞刺激。在本分析中，在最低事件压力下，被动气穴探测器响应完全由0.5MHz基本超声频率的整数谐波组成。从 0.2 增加到 0.3MPa，除了进一步提升整数谐波外，光谱中还产生了明显的超谐波。虽然 0.3MPa 结果显示脉冲持续时间的多变性，但这两种压力的时间域波形式看起来相似。在最大压力下，由于宽带噪声明显升高，时间域波形成振幅相对于较低压力的非线性增长，可能是由于微气泡破坏引起的惯性空穴。在这里，全光谱显示在 50 秒的曝光时间内，在此期间，源每 0.2 秒发出两毫秒的脉冲。如图所示，在说明相应的总谐波和宽带功率时，产生了大振幅宽带响应，最初的峰值被认为与最大气泡的破坏相关。几秒钟后，宽带响应迅速减弱，显然是由于气泡破坏。在这项分析中，使用20比1稀释微气泡和正常PBS，时间和样本平均光谱显示，未聚焦的被动空腔探测器比对焦探测器具有更强的宽带响应。伴随着样品的减少，以样品变异的谐波和超谐波能力。使用荧光显微镜、流动细胞测量或生物检测等技术，可评估骑兵诱导的生物效应。这使空腔活性与生物效应之间建立了牢固的关系。这项技术使我们能够更好地识别泡沫行为和生物效应之间的关系，这揭示了一些潜在的新机制，支撑空腔介质药物的输送。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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科研

生物工程

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A Microfluidic System with Surface Patterning for Investigating Cavitation BubblesÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã…â€œCell Interaction and the Resultant Bioeffects at the Single-cell Level

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