基于超常声辐射力的微气泡操控研究

The accurate manipulation of microbubbles has been proved much valuable, and is of perticular importance for the research areas of ultrasonic molecular imaging as well as ultrasound mediated targeted drug delivery. However, at the current level this technique relies only on the pushing characteristics of acoustic radiation force (ARF). In this project, we introduce a new phenomenon of ARF into bubble manipulation, which exhibits its extraordinary nature by pulling the bubble toward the source, naming the pulling acoustic radiation force (PARF). To achieve the goal, first we will extend the existing theory, which deals with non-absorptive particles or droplets, to the case of an encapsulated microbubble. Based on the ultrasonic scattering theory of the bubble, the ARF originated from two crossed plane ultrasonic waves whose amplitudes equal will be studied. Then the condition on which the ARF turns negative and its dependences on several parameters (e.g., bubble size distribution, bubble shell parameters, insonation frequency, and incident angle, etc.) will be analyzed. After that, we will design and fabricate two novel manipulation devices, the "unilateral acoustic tweezers" based on ultrasonic bulk wave and the "pulling acoustophoresis" based on leaky surface acoustic waves. On the other hand, we will study the streaming phenomenon inside the manipulation devices with the help of Micro-Particle Imaging Velocimetry (Micro-PIV) technique and the finite element method (FEM). Based on the consistency of the obtained results (i.e., from the Micro-PIV and the FEM), we will study a method of evaluating the actual ARF that is acting on an individual bubble, and a distribution of ARF field line is anticipated (like its counterpart of electric field line). According to the streaming and ARF evaluation study, we will design the protocol of controlling the streaming in the acoustic field. From the above, this project aims at extending the theories and methods of microbubbles as well as acoustic manipulation. The prospective results could even be enlarged to the manipulation of universal particles, and would benefit the research of ultrasonic bioeffects mediated by microbubbles.

微气泡的精确操控对超声分子成像和靶向药物传递等具有重要价值，但现有操控技术主要利用声辐射力的推力特征。本项目引入声辐射力中的超常现象- - 拉力，研究利用其实现微气泡操控的理论和方法。首先基于微气泡的声散射理论，研究两列等幅交叉平面波对其形成的辐射力，分析该辐射力表现为拉力的条件以及其与气泡尺寸分布、包膜参数、声频率、入射角等因素的关系。以此为基础，设计并制备基于体波和表面波的操控器件，分别实现"单侧声镊"和"拉力声泳"等新型操控功能。此外，为了降低流场对声操控的影响，并明确声辐射力及流场影响微气泡运动的机理，本项目将基于有限元建模和显微粒子速度成像分析器件中的流场，以两者的高度相关性为基础测算微气泡实际受到的声辐射力。本项目的研究将拓展微气泡操控领域的理论及方法，所得结果对基于造影剂微气泡的超声生物效应研究具有重要价值。

微/纳米尺度下的非接触式操控技术对生物学、化学和现代材料科学的发展具有重要推动作用，一个重要的例证就是于2018年获得诺贝尔物理学奖的光镊技术。微尺度声学操控相比其它物理操控的优势在于其极佳的生物相容性、无电离辐射、良好的介质穿透性。在微尺度超声操控研究中，最重要的两个物理因素是声辐射力和声流场。本项目基于对微气泡这一特殊介导，对这两者进行了系统的研究。首先，我们研究了作用在微气泡上的声辐射力的性质，以及实现其超常操控的条件。我们发现，由于微气泡的等效密度及可压缩系数显著异常于普通生物粒子，作用在其上的辐射力也具有独特的性质。一个典型的例子是，其声学对比因子为负值，因而对其而言声场势阱不同于操控普通粒子的情形。其次，微气泡周边声流场的一个显著表现就是微尺度上的剪切力，我们对这种物理现象进行了探讨，仔细分析了其对周边粒子如细胞的作用机制。基于上述两种机理，我们分别进行了声泳和单侧声操控研究。在研究过程中，我们提出了测量微尺度环境中声操控相关物理场的具体方法。基于对粒子溶液的显微粒子速度成像观察，我们建立了一种示踪粒子声泳理论模型，通过该模型结合实验测量，我们获得了微尺度驻波声场中的声压幅度及电-声转换系数。进一步，我们通过理论分析，在低雷诺数条件下合理地忽略粒子的对流加速度及惯性作用，建立了一种通过多尺度速度测量获得空间分布的声辐射力场和声流场的模型。通过实验，我们证明了该方法可有效地将声辐射力场和声流场分离。其中，声辐射力场通过加速度进行描述，因而测量结果对不同尺寸的粒子具有通用性。更为重要的是，该方法理论上对辐射力正比于粒子体积的情形均适用，因而也可以用于光操控、磁操控、介电泳操控等其它应用中。本项目的研究结论一方面为微尺度超声操控中对微气泡进行开发利用奠定了基础，另一方面也为多种物理场在微尺度粒子操控中的应用提供了一种先进的测量方法。