気泡クラウドキャビテーション実験

現在、超音波によるDDSでは吸収改善技術として気泡のソノポレーションが考え られている。気泡のソノポレーションとは高圧超音波などにより気泡を破壊した ときの衝撃で発生するマイクロジェット流で細胞表面に微小な穴を形成し、薬剤 の効果を高めようというものである。

本研究では、捕捉した多数の気泡群の破壊（気泡クラウドキャビテーション）における 気泡運動のダイナミクスの観察を行い、微小窪み形成との関わりについて検証した。

６－１．実験プロトコル

＜ソノポレーション実験手順＞

1. 流路内に微小気泡(レボビスト)を導入する

レボビスト水溶液濃度： 0.06g／5.5ml この濃度を基準とした。

平均流速： 1.1mm/s

2. ポンピング超音波を照射し、流路壁面へ気泡をプリトラッピングする。

付着気泡を静止画撮影または動画像撮影し、記録する。

撮影機器：Canon EOS7D(静止画像) or 高速度カメラMiro310(動画像撮影) 3. 流路内に脱気水を導入し、浮遊する微小気泡を除去する

4. 付着気泡をキャビテーションさせる。

高音圧超音波を照射し、キャビテーションを起こす。

同時に、この様子をカメラにより撮影し、記録する。

5. 流路面に形成された微小窪みの観察

観測ツール：共焦点レーザー顕微鏡OLYMPUS社LEXT-4000 観測領域(ROI)：128m*528m

＜レボビスト水溶液の作成手順＞

１．容器に水5.5ml、レボビスト粉末0.06gを加える。

２．容器に蓋をし、約20秒間振る ３．1分間放置する

水溶液中のレボビストの寿命は約 1 時間であるが、超音波に対する反応の劣化および微 小気泡の体積減少を考慮し、また作成後すぐは気泡粒径が安定せず、トラッピングおよび 気泡のキャビテーションに影響を与える恐れがある。

そこで、全実験において、作成1分後に実験を行った。

＜生体模擬血管ファントム使用時の留意点＞

１．作成後、エポキシ系接着剤がある程度凝固するまで約30分安置する。

Fig.6-1 レボビスト水溶液作成手順

１分以上待つ

６－２．気泡クラウドキャビテーション撮影実験

６－２－１．気泡クラウドキャビテーションのダイナミクスと微小窪み形成

本研究では、まず気泡クラウドキャビテーションダイナミクスの時間的な規模や、観察に 必要な光量等を把握する目的も含めて、静止画撮影実験を行った。撮影は、デジタルカメ ラとLED照明による露光時間制御を用いて行った。また撮影された気泡クラウドとそのキ ャビテーション中のクラウド、形成された微小窪みの位置関係をFig.6-2に示す。また、気 泡クラウドキャビテーションによって形成させる微小窪みは細かなものが所望される。こ の理由としては、生体組織にこの現象を適応した際に、あまり大きな微小窪みを開けてし まうと組織に大きな損傷を与えてしまい、回復に時間がかかってしまうからである。

Fig.6-2 キャビテーションの静止画撮影

(Back Ground：Bubble Cavitation、Red : Micro hollows、Green : Bubble cloud)

気泡破壊超音波により、靄のような像が撮影されているが、トラッピング気泡の位置と重 ね合わせると、運動した気泡クラウドの移動した残像（軌跡）であることが推察される。

この気泡が運動した軌跡のことを”気泡ミスト”と呼ぶこととする。また、気泡クラウドと微 小窪みの画像を重ね合わせることで、気泡クラウドの真下に形成される微小窪みと(黄)、気 泡クラウド間(青)に形成される微小窪みが観察された。

50µm

６－３．クラウド間相互作用による微小窪みの評価

６－３－１．気泡クラウド間に働く相互作用とその分類

超音波場中の気泡クラウド間には 3－2－2 で述べたようにSecondary Bjerknes forceが働 く。この力は以下の式で示される。

𝐹𝐵,𝑆=2𝜋𝜌0

9 (𝜔𝑃𝑎)²𝑘1𝑘2𝑅₁³𝑅₂³ 𝑟₀²

𝜌₀:周囲液体の密度、ω：周波数、𝑃_𝑎：超音波の音圧 𝑘₁, 𝑘₂:気泡の圧縮率、 𝑅₁, R₂:気泡クラウド半径

(3-3)式から、Secondary Bjerknes forceは気泡間距離の2乗に反比例することがわかる。

つまり、気泡間距離が近ければSecondary Bjerknes forceは大きくなり、遠ければ小さく なる。このSecondary Bjerknes forceにより気泡クラウド間に相互作用が働く。本研究で はこの相互作用を、1.移動、2.衝突・縮小、3.衝突・分割の3つに分けた。その図をFig.6-3 に示す。

1.移動

2.衝突・縮小

3.衝突・分割 Fig.6-3 相互作用の分類

𝐹

_𝐵,𝑆

…(3-3)

６－３－２．微小窪みの気泡クラウド依存性

気泡クラウドキャビテーションによって形成される微小窪みの大きさはさまざまである。

6-2-1 で示したFig.6-2を見ると気泡クラウド直下には比較的大きな、気泡クラウド間には 細かな微小窪みが形成されているように見える。今回、この微小窪みを評価するために、

観察領域 50µm×50µm で画像を切り出し、この観察領域で気泡クラウド画像と微小窪み画像 を重ね合わせ、気泡クラウドに 1 ピクセルでも被っている微小窪みは、気泡クラウドの直 下に形成されたものとし、それ以外の微小窪みはクラウドの周囲に形成させたものとみと みなし、微小窪みを等価半径別に評価する(Fig.6-4)。その統計結果を.6-5に示す。

Fig.6-4 微小窪みのクラウド依存性評価

10µm Red : Micro hollows Green : Bubble cloud

Green : Bubble cloud

クラウドの直下に 微小窪みが存在

クラウドの直下以外 (周囲)に微小窪みが存在

Fig.6-5 微小窪みのクラウド依存性の評価

Fig.6-5を見ると、クラウドの周囲に形成される微小窪みは等価半径が0.5～1.0µmと細か

な微小窪みが形成され、逆に気泡クラウドの直下に形成される微小窪みは2.0µm以上のも のが多く形成される。気泡クラウド間に形成されている細かい微小窪みが、気泡クラウド 間に働く相互作用の1つである”移動”に起因するものであるとすると、気泡クラウド同士が 近隣に存在するか否かで、微小窪みの質が変化してくると考えられる。次項では、気泡ク ラウドの相互作用が弱い場合と強い場合とで分類して微小窪みの評価をした。

ROI ROI数

50µ𝑚 × 50µ𝑚 50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5～1.0 1.0～1.5 1.5～2.0 2.0～

P er centa ge o f m ic ro h ol lo w s[%]

Equivalent radius[µm]

Micro hollows out of cloud

Number of hollows = 563

Micro hollows inside cloud

Number of hollows = 328

６－３－３．気泡クラウド間距離による微小窪みの形成の違い

気泡クラウド間に働く相互作用は気泡クラウド同士の距離に依存していることを 6-3-1 で 示した。今回、気泡クラウド間相互作用が強い場合を、観測領域 50µm×50µm 中に気泡クラ ウドが複数個存在しているものと定義する。また、相互作用が弱い場合を、観測領域 50µm

×50µm 中に気泡クラウドが単一のもと定義する。この相互作用が強い場合と弱い場合のキ ャビテーション画像と微小窪み画像をFig6-6に示す。

Fig6-6 ROI 中(

50µm×50µm

)の気泡クラウドキャビテーションと微小窪み

これらの図を見ると、ROI 中に複数個気泡クラウドが存在する場合に気泡クラウド間に細か な微小窪みが形成されていることが見て取れる。それに対し ROI 中に気泡クラウドが単一 の場合は、気泡クラウド直下に大きな穴が形成されている。Fig6-7にROI中に気泡クラウ ドが複数存在する場合と単一の場合とで、場合分けを行い、それぞれ等価半径別の微小窪 みの頻度分布を求めてみた。

Red : Micro hollows Green : Bubble cloud 10μm

複数

単一

ミスト画像＋気泡クラウド

ミスト画像 ミスト画像＋気泡クラウド

＋微小孔

Fig6-7 単一クラウドと複数個のクラウドで形成される微小窪みの違い

Fig6-7より、ROI 中に気泡クラウドが複数個存在する方が、単一の場合と比べ、10％程度多

く細かい微小窪み(0.5～1.0µm)が形成され、大きい(2.0µm 以上)微小窪みは 6 分の 1 程度に まで抑えられた。また、気泡クラウド間隔が近いと気泡クラウド間相互作用が強く働き、

気泡クラウドが移動しやすく、この移動の際に細かな微小窪みが形成されると考えられる。

つまり、気泡クラウドを移動しやすくすることで、細かな微小窪みの割合を増やせると考 えられる。次節では移動を促進させるために、トラッピングに着目したシーケンスを提案 する。

ROI ROI数(単一クラウド) ROI数(複数クラウド)

50µ𝑚 × 50µ𝑚 14 33

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0.5～1.0 1.0～1.5 1.5～2.0 2.0～

Percentage of micro hollows[％]

Equivalent radius[μm]

Single cloud

Number of hollows = 106 Multi clouds

Number of hollows = 379

６－４．プリトラッピング条件の最適化

６－４－１．プリトラッピングの重要性

6-1 で述べたように、気泡クラウドキャビテーションは、あらかじめ流路の壁面に気泡を付 着(プリトラッピング)させてから行う。プリトラッピングをすることで微小窪みの形成効 率を上げることができる。Fig6-8 、Fig6-9にプリトラッピング無しの場合とプリトラッピ ング有りの場合でのシーケンスと微小窪みを示す。

a)プリトラッピング無し

b)プリトラッピング有り

Fig.6-8 プリトラッピングの有無によるシーケンスの違い

a)プリトラッピング無し

b)プリトラッピング有り

Fig.6-9 プリトラッピングの有無による微小窪み形成の違い

Fig.6-9 a)

でわかるように、プリトラッピング無しでキャビテーションを起こした

場合、微小窪みはほとんど形成されないが、

Fig.6-9 b)のように

プリトラッピング をした後にキャビテーションをかけることで、微小窪みの形成効率を高めるこ とができる。

100μm 総穴面積：173.1μm²

総穴面積：1537.6μm² トラッピング超音波

周波数：2.5MHz 音圧：100kPa

照射時間：100msec×3

キャビテーション超音波

周波数：2.5MHz ROI:128µm×528µm 音圧：1MPa

照射時間：100μsec

６－４－２．ポンピング超音波の照射時間変化による微小窪みの違い

6-3-3で気泡クラウドの移動により、細かな微小窪みが形成されることが確認された。本項

では、キャビテーションを行う前の、気泡を流路壁面に捕捉(プリトラッピング)する段階で の新たなシーケンスを提案した。このシーケンスをFig.6-10に示す。

Fig.6-10 プリトラッピングに着目した超音波照射シーケンス

このシーケンスでは、気泡を流路壁面に捕捉する超音波(ポンピング超音波)の総照射時間を 一定とし、その繰り返し回数を変化させるものとなっている。また、実験様子をFig.6-10 に示し、Fig.6-11には1回あたりのシーケンスAとCの気泡ミスト、Fig.6-12にはそれぞ れ2値化し、6回重ね合わせたシーケンスAの気泡ミストとシーケンスCの気泡ミストを 示す。

ドキュメント内 気泡クラウドキャビテーションにおけるクラウド間相互作用の研究 (ページ 35-50)