声悬浮系统中非球形气泡振荡诱导的微流现象

理解气泡引发的机械作用在许多工程和治疗应用中至关重要。控制气泡振荡及其周围诱导的流动仍然是一个具有挑战性的任务。所提出的技术能够控制声悬浮装置中单个被捕获气泡的形状振荡。

随后，诱导流动将被可视化，并与气泡动力学相关联。来自超声治疗应用实验室的学生 Estelle Mezianai 将演示该操作流程。首先通过放置振荡器的水箱，使激光的聚焦点位于水箱内部，从而在每次发射 5 至 10 毫焦激光脉冲时产生火花，以生成气泡。

打开超声换能器，并逐渐增加施加的电压，直至气泡不再垂直上升，而是向声压波腹方向偏转并被俘获。将背光照明设置为连续发光二极管光源，并启用高速相机以观察被俘获的气泡。为俘获气泡并记录其径向振荡，将帧尺寸设为128×128像素，采集速率为180千赫兹。

在0至8伏特的逐渐增加的施加换能器电压下，记录3至30毫秒内的气泡径向振荡。最后一次记录完成后，关闭超声换能器，并采集一幅背景图像用于后续分析。对于视频序列的后期处理，请运行VoltagePressure程序。

可执行文件。设定物理和实验参数，以及用于该系列记录的施加电压值。在气泡半径分析面板中，点击“加载参数”，然后选择包含所有视频序列和背景图像文件的文件夹。

对于每个视频文件，将绘制气泡半径在一个声学周期内的演变曲线，并叠加数值拟合结果。当所有视频处理完毕后，点击线性回归以对压力电压曲线进行线性拟合。数据将被保存到当前目录下的一个 txt 文件中。

为了诱导气泡聚并，打开超声换能器并施加足够高的电压，使相应的声压能够触发表面不稳定性，成核产生一个气泡，随后该气泡将迁移至其捕获位置。当被捕获的气泡仅表现出球形振荡时，产生一个新的激光火花。当新气泡到达捕获位置时，发生聚并。如果聚并后的气泡在火花产生后仅表现出球形振荡，则生成一个新的气泡。

但需注意，可能需要多次合并才能达到发生非球形形变的半径。当合并后的气泡出现非球形振荡时，记录约3至30毫秒的气泡振荡过程，并利用图像确定气泡形状振荡的模态数。为进行流体流动测量，将帧率设置为180千赫兹，帧尺寸设置为128×128像素，曝光时间为1微秒，以记录气泡界面的动力学行为。

为了记录染料示踪剂的运动，将帧尺寸设置为 1024 × 768 像素，帧速率为 600 赫兹，曝光时间为 1 毫秒。调整激光片的位置，使被照亮的粒子在相机中可见，并如示范所示成核并捕获一个气泡。进一步调整激光片的位置，使气泡后方出现阴影，并诱导气泡聚并，直至观察到稳定振荡的形状模式。

然后获取多个录像，交替记录气泡动力学和微流现象。进行图像处理与分析时，将包含捕获粒子运动的动态影像文件导入 ImageJ，点击图像、调整、亮度/对比度，然后选择自动。系统将自动生成优化后的图像，取代原始的暗背景。

为了显示最终的图案，点击图像、堆栈和Z投影，并为图像投影选择最大强度选项。系统将显示一幅输出图像，其中每个像素包含该堆栈中所有图像对应位置的最大值。此处展示的是气泡聚并的完整序列，由此可观察到随时间保持稳定、由对称性控制的非球形振荡现象。

两个球形振荡气泡的接近阶段在两者之间的液膜破裂时结束。融合发生后，会留下一个呈非球形振荡且具有复杂形状的单个气泡，这对应于任何动力系统受激发后振荡的瞬态过程。经过十余个到一百个声学周期后，振荡形态逐渐稳定，进入稳态振荡。

当气泡被捕获并表现出稳定的形状振荡时，可以捕捉到气泡附近荧光示踪粒子的运动。当发生形状振荡时，气泡界面附近会产生液体运动。通过在声学时间尺度上记录气泡界面的动力学行为，同时在较慢的时间尺度上记录粒子运动，可将微流模式与特定的形状模态数相关联。

如果气泡界面的动力学包含附加模式，则由于这些模式之间的多重相互作用会生成特定的流场模式，从而显著改变微流流动。为了安全地将流场模式与特定的形态振荡相关联，需注意必须交替捕捉气泡动力学行为和流体运动。这些发现可能在神经病理性应用中具有实际用途，例如用于转化介导的药物递送。

事实上，已知声学气泡会对细胞膜施加由流动引起的剪切应力，从而导致细胞膜通透性增加。