השראת מיקרו-סטרימינג על ידי תנודות בועות לא כדוריות במערכת ריחוף אקוסטית
9 במאי 2021
טכניקה מהירה ואמינה מוצעת לשליטה בתנודות הצורה של בועה אקוסטית אחת לכודה המבוססת על טכניקת התלכדות בין שתי בועות. תנודות צורת הבועה במצב יציב ומבוקרות סימטריה מאפשרות ניתוח של זרימת הנוזל הנוצרת בקרבת ממשק הבועות.
ההבנה של פעולות מכניות המושרות על ידי בועות היא חיונית ביישומים הנדסיים וטיפוליים רבים. שליטה בתנודות הבועות ובזרימות המושרות בסביבה היא עדיין משימה מאתגרת. הטכניקות המוצעות מאפשרות לשלוט בתנודת הצורה של בועה בודדת הכלואה בלווחוף אקוסטי.
לאחר מכן מדמיינים את הזרמים המושרים ומתואמים עם דינמיקת הבועות. אסטל מזינאי, סטודנטית מהמעבדה ליישום טיפולי של אולטרסאונד תדגים את ההליך. התחל ביצירת בועות על ידי הצבת מיכל המים של המתנד כך שנקודת מיקוד של הלייזר ממוקמת בתוך מיכל המים מה שמוביל ליצירת ניצוץ לכל פולס לייזר של 5 עד 10 מיליג'ול.
הפעל את מתמר האולטרסאונד והגדל את המתח המופעל עד שהבועות כבר לא עולות אנכית, אלא סוטות לכיוון צומת הלחץ ונלכדות. הגדר את התאורה האחורית לדיודה פולטת האור הרציפה ובחר את המצלמה במהירות גבוהה כדי לאפשר תצפית על הבועה הלכודה. כדי ללכוד בועה וללכוד את התנודות הרדיאליות שלה, הגדר את גודל המסגרת ל- 128 על 128 פיקסלים ואת קצב הרכישה ל- 180 קילוהרץ.
רשום את התנודות הרדיאליות של הבועות מ- 3 עד 30 אלפיות השנייה תחת מתחי מתמר מופעלים הולכים וגדלים מ- 0 ל- 8 וולט. לאחר ההקלטה האחרונה, כבה את מתמר האולטרסאונד וצלם תמונה אחת של הרקע לניתוח שלאחר הניתוח. לעיבוד שלאחר סדרת הסרטונים, הפעל את VoltagePressure.
קובץ exe. ציין את הפרמטרים הפיזיים והניסיוניים ואת ערכי המתח המופעל עבור סדרת ההקלטות. בחלונית ניתוח רדיוס הבועות, לחצו על פרמטרי טעינה ובחרו בתיקייה הכוללת את כל קובצי סדרות הווידאו ותמונות הרקע.
עבור כל קובץ וידאו, האבולוציה של רדיוס הבועה תשורטט על פני תקופה אקוסטית אחת והתאמה מספרית תונח. לאחר שכל הסרטונים עובדו, לחץ על רגרסיה ליניארית כדי לבצע התאמה ליניארית של עקומת מתח הלחץ. הנתונים יישמרו בקובץ txt בספרייה הנוכחית.
כדי לגרום להתגבשות בועות, הפעל את מתמר האולטרסאונד והגדר את המתח המופעל גבוה מספיק כך שהלחץ האקוסטי המתאים עלול לגרום לאי יציבות פני השטח, גרעין בועה שתעבור לאחר מכן למקום הלכידה שלה. כאשר בועה לכודה מציגה תנודות כדוריות בלבד, נוצר ניצוץ לייזר חדש. כאשר הבועה החדשה מגיעה למקום ההשמנה, מתרחשת התלכדות אם הבועה המתמזגת מציגה תנודות כדוריות בלבד לאחר הניצוץ, צור בועה חדשה.
אך שימו לב שייתכן שיהיה צורך בהתלכדות מרובה כדי להגיע לרדיוס שבו מתרחשים עיוותים לא כדוריים. ברגע שהבועה המתלכדת מציגה תנודות לא כדוריות, רשום את תנודות הבועה במשך כ-3 עד 30 אלפיות השנייה והשתמש באיור כדי לזהות את מספר המצב של תנודות הצורה של הבועה. כדי לבצע מדידות זרימת נוזלים, הגדר את קצב המסגרות ל- 180 קילוהרץ, את גודל המסגרת ל- 128 על 128 פיקסלים ואת זמן החשיפה למיקרו-שנייה אחת כדי להקליט את הדינמיקה של ממשק הבועות.
כדי להקליט את תנועת עוקבי הצבע, הגדר את גודל המסגרת ל- 1024 על 768 פיקסלים, את קצב המסגרות ל- 600 הרץ ואת זמן החשיפה לאלפית שנייה אחת. כוונן את מיקום יריעת הלייזר כך שהחלקיקים המוארים יהיו גלויים למצלמה וגרעין ולכוד בועה כפי שהודגם בה. התאימו עוד יותר את מיקום יריעת הלייזר כך שצל ייראה מאחורי הבועה ויגרמו להתגבשות הבועות עד להופעת מצב צורה מתנודד יציב.
לאחר מכן לרכוש כמה הקלטות, לעבור בין דינמיקה בועה מיקרו הזרמה. לעיבוד וניתוח תמונה, ייבאו את קובץ cine הכולל את תנועת החלקיקים שנלכדו לתמונה J ולחצו על תמונה, התאמה, בהירות, ניגודיות ואוטומטי. תמונה ממוטבת אוטומטית תחליף את הרקע הכהה.
להצגת דוגמת המילוי שנוצרה, לחצו על הפרוייקט 'תמונה', 'אוספים' ו'Z', ובחרו באפשרות 'עוצמה מרבית' להקרנת התמונה. תוצג תמונת פלט עם פיקסלים הכוללים את הערך המרבי על כל התמונות בערימה. מוצג כאן רצף שלם של התלכדות בועות המוביל לסימטריה יציבה בזמן הנשלטת על תנודות לא כדוריות שניתן לצפות בהן.
השלב המתקרב של שתי בועות מתנדנדות כדוריות מסתיים כאשר הסרט הנוזלי הדק בין שתי הבועות נקרע. לאחר רגע ההתמזגות נשארת בועה בודדת המציגה תנודות לא כדוריות בעלות צורה מורכבת, המתאימה למשטר התנודות הארעי בעקבות עירור של כל מערכת דינמית. לאחר תריסר עד 100 תקופות אקוסטיות, צורות התנודה מתייצבות למצב תנודה יציב.
ברגע שבועה נלכדת ומציגה תנודות צורה יציבות, ניתן ללכוד את תנועת העוקבים הפלואורסצנטיים בסביבת הבועה. כאשר מתרחשות תנודות צורה, נוצרת תנועה נוזלית בקרבת ממשק הבועות. הקלטה חלופית של הדינמיקה של ממשק הבועות בסקאלת הזמן האקוסטית ושל תנועת החלקיקים בסקאלת זמן נמוכה יותר מאפשרת התאמה של תבנית המיקרו סטרימינג למספר מצב צורה נתון.
אם הדינמיקה של ממשק הבועות מכילה מצבים משלימים, ניתן לשנות באופן משמעותי את זרימת המיקרו בשל האינטראקציות המרובות בין המצבים שייצרו דפוסים ספציפיים. כדי לשייך בבטחה את תבנית הזרימה להרגעה של צורה נתונה, זכרו שיש צורך ללכוד לחילופין את דינמיקת הבועות ואת תנועת הזרימה. לממצאים אלה עשוי להיות שימוש מעשי ביישומים נוירופתיים כגון מתן תרופות מתווכות טרנספורמציה.
ואכן, ידוע כי בועות אקוסטיות מפעילות לחצים המושרים על קרום התא ומובילים לחלחירתם.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה לבקרה ובדיקה של תנודתיות לא-ספרית של מיקרו-בועות בודדות הכלואות בתא ריחוף אקוסטי. באמצעות השראה וניתוח של תנודתיות צורה זו, המחקר בוחן את זרימות הנוזלים הנובעות מכך (microstreaming) ואת המתאם שלהן עם הדינמיקה של הבועות, עם השלכות על הובלה ממוקדת של תרופות וגנים באמצעות הגברת חדירות קרום התא.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- אקוסטופלואידיקה (Acoustofluidics)
- הנדסה ביו-רפואית
- הובלת תרופות באמצעות אולטרה-סאונד
רקע
- מיקרו-בועות בתנודה הסמוכות למחסומים ביולוגיים יכולות להגביר זמנית את חדירות ממבצת התא.
- מיקרו-זרמים של קוויטציה, הנוצרים על ידי בועות בתנודה, מייצרים מאמץ גזירה על רקמות.
- בקרה על תנודות שאינן כדוריות היא מאתגרת, אך חיונית לחקר זרימות מושרות.
- הבנת זרימות אלו יכולה לסייע ביישומים טיפוליים כגון הובלת תרופות וגנים.
מטרת המחקר
- פיתוח טכניקה לתנודות לא-ספריות של מיקרו-בועות תחת בקרת סימטריה.
- ויזואליזציה ומתאם של זרימות נוזלים מושריות עם דינמיקת צורת הבועה.
- מתן אפשרות למחקרים מבוקרים של מיקרו-זרם (microstreaming) של קביטציה הרלוונטיים ליישומים ביו-רפואיים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- יצירה ולכידה של מיקרו-בועות במלביט אקוסטי באמצעות אולטרסאונד וקוויטציה המושרית בלייזר.
- השראה של תנודות לא-ספריות באמצעות התמזגות בועות מבוקרת.
- דימות במהירות גבוהה (עד 180 kHz) ללכידת דינמיקת הבועות ותבניות זרימה.
- ניתוח תמונות באמצעות כלי תוכנה (למשל, ImageJ) לכימות רדיוס הבועה ולהדמיה של תבניות מיקרו-סטרימינג.
תוצאות עיקריות
- בקרה וייצוב מוצלחים של תנודות לא-ספריות בבועות בודדות כלואות.
- מתאם ישיר בין מצבי צורה ספציפיים לבין דפוסי זרימת נוזלים מובחנים.
- הדגמה לכך שמצבי צורה מסדר גבוה יותר יכולים ליצור דפוסי נוזלים מורכבים בעלי טווח רחב.
- ביסוס של תהליך עבודה הניתן לשחזור עבור דימוי לסירוגין של בועות וזרימה, לצורך קישור דפוסי זרימה למצבי תנודה.
מסקנות
- ניתן להשרות וללמוד באופן מהימן תנודות לא-ספריות של מיקרו-בועות המבוקרות על ידי סימטריה.
- תנודות אלו מייצרות דפוסי מיקרו-זרמים (microstreaming) מגוונים ובקרים, התלויים בתוכן המודאלי של ממשק הבועה.
- הממצאים תומכים בפוטנציאל להעברה ממוקדת ומקומית של תרופות באמצעות מיקרו-בועות המבוקרות אקוסטית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית לדרג ניהולי
בקרה על תנודות של מיקרו-בועות שאינן כדוריות במערכת לביטוי אקוסטי מאפשרת מחקר מדויק של זרימה זעירה (microstreaming) הנובעת מקביטציה והשפעותיה המכניות על מחסומים ביולוגיים. יכולת זו רלוונטית באופן אסטרטגי עבור מו"פ בביו-פרמה השואף למטב את הולכת תרופות וגנים המתווכת על ידי אולטרסאונד, וזאת על ידי הגברת חדירות ממברנת התא באופן מבוקר ומקומי. גישה זו תומכת בביטחון ניבוי להפחתת סיכונים מכניסטיים בממשק שבין ביולוגיית גילוי למחקר תרגומי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות הכוללות מודולציה מכנית של ממברנות תאים.
- תומך בתיקוף תפקודי של מטרות על ידי קורלציה בין מצבי צורה של בועות לבין דפוסי מאמץ גזירה מושריים.
- מסייע בהפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות אספקת קשרים כמותיים בין דינמיקת תנודות לבין אפקטים של זרימה מיקרוסקופית (microstreaming).
סריקה ופיתוח בדיקות
- מכין מערכות מיקרו-בועיות (microbubble) שעברו תיקוף לצורך סריקה של פרוטוקולי הובלה המתווכים באולטרסאונד.
- מסטנדרט את תנאי הבדיקה על ידי בקרת סימטריית התנודה ותבניות הזרימה.
- מאפשר מדידה כמותית וניתנת לשחזור של מאמץ גזירה המושרה על ידי נוזלים על מחסומים מודליים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה תבניות של זרימה מיקרוסקופית (microstreaming) למודלים רלוונטיים למחלה עבור מחקרים של הובלה ממוקדת.
- תומך ברצף מהגילוי המכניסטי ועד לתיקוף פרה-קליני של אסטרטגיות הובלה מבוססות אולטרסאונד.
- מספק נתונים מותאמי סיכון לקידום שיטות למסירת תרופות מקומית.
שילוב תהליכי עבודה ושלבי עיבוד
שיטה זו מגשרת בין שלבי הגילוי המוקדמים למחקר תרגומי על ידי אפשור של מחקרים מבוקרים של השפעות מכניות המושרות על ידי מיקרו-בועות, ובכך היא תומכת בזיהוי מועמדים טיפוליים ובפיתוח מודלים פרה-קליניים.
- ביולוגיית גילוי: מאפשרת בדיקת היפותזות בנוגע לתפקידו של מיקרו-סטריימינג (microstreaming) בחדירות ממברנות.
- סריקה: מספקת תנאי תנודה וזרימה סטנדרטיים וניתנים לשחזור לצורך מחקרים השוואתיים.
- אנליטיקה: מספקת מדידות כמותיות של דינמיקת בועות ותבניות זרימת נוזלים לצורך ניתוח סטטיסטי איתן.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין ממצאים מכניסטיים למודלים פרה-קליניים של הובלת תרופות ממוקדת.
- שימוש חוזר בארגון: מבססת פלטפורמה לשימוש חוזר לחקר השפעות של מיקרו-בועיות אקוסטיות במגוון תוכניות מו"פ.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי במנגנוני הולכה מתווכי אולטרסאונד ומפחית עמימות מכניסטית.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) של בדיקות מבוססות מיקרו-בועות.
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס לקבלת החלטות של המשך או עצירה (go/no-go) עבור שיטות הולכה חדשניות ומשפר את היעילות ההונית.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכונים של תוכניות הולכה ממוקדת.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות באקוסטי-פלואידיקה (acoustofluidics) ובניתוח דימות במהירות גבוהה.
- דורש מכשור ייעודי, כולל תאי לביטציה אקוסטית ומצלמות בעלות קצב פריימים גבוה.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי תנודה ודימות.
- נדרשת התאמה של הפרוטוקולים עבור מודלים שונים של מחסומים ביולוגיים והקשרי הובלה.
- מוגבל על ידי הצורך בשליטה מדויקת בהתמזגות בועות ובמצבי תנודה.
