Twee microscopisch kleine belletjes zijn beter dan één bij het doordringen van zachte materialen, concludeert een nieuwe studie door ingenieurs van de Universiteit van Californië, Rivieroever.

optische cavitatie, die een laser gebruikt om bellen te vormen in een vloeistof die snel uitzetten en vervolgens instorten, een veilige manier zou kunnen zijn om snel en efficiënt therapeutische middelen toe te dienen, zoals drugs of genen, direct in levende cellen. Huidige methoden voor het introduceren van vreemde materialen in cellen, bekend als transfectie, vertrouwen op het doorboren van het buitenmembraan met een laser, waardoor de cel door hitte kan worden beschadigd, of een pipet, die besmetting met zich meebrengt.

Hoewel nog niet helemaal klaar voor prime time, wetenschappers verbeteren optische cavitatietechnieken. Het nieuwe papier toont twee bubbels produceren lange, fijne jets die met slechts vijf pulsen ver genoeg doordringen om cavitatie mogelijk geschikt te maken voor transfectie of naaldloze injecties.

"De studie van cavitatiebellen is relatief snel geëvolueerd, van het leren voorkomen van de schade die ze aan scheepsschroeven veroorzaken tot het toedienen van medicijnen, " zei Vicente Robles, een doctoraalstudent aan het Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering, die de studie leidde. "De grootste beperking van hun toepassingen is onze creativiteit."

Cavitatiebellen zijn micron groot en leven slechts een fractie van een seconde, maar sterk genereren, lokale veranderingen in fysieke eigenschappen van het omringende medium, waardoor ze de beste kandidaten zijn voor gelokaliseerde oppervlaktereiniging, celtargeting, en verwarming of koeling.

In configuraties met dubbele bellen, een bel stort sneller in en versnelt de naburige bel om zichzelf om te keren en te doorboren, een snelle straal uitstoten die zou kunnen, als het krachtig genoeg is, ook een celmembraan doorboren en mogelijk worden gebruikt om een ​​cel te transfecteren. Echter, de snelheid van de jet, kracht, en traject worden sterk beïnvloed door de mechanische eigenschappen van het medium eromheen en de ruimtelijke en temporele scheidingen van de bellen.

Robles begon met het gebruik van lasers om bellen te creëren die waterstralen vormen die op een medium zijn gericht. Vervolgens vergeleek hij enkele en dubbele jets gericht op zowel vaseline als een transparante agargel die veel wordt gebruikt om menselijk weefsel te modelleren.

Het dubbele bellenproces creëerde langwerpige, snel, gerichte jets die in lengte en volume toenamen wanneer ze op de agargel werden gericht. Slechts vijf pulsen drongen door tot 1,5 millimeter - genoeg om de menselijke huid te doorboren. Dit werd bereikt zonder de speciale micronozzles die in bestaande laserinjectiesystemen worden gebruikt. In vaseline, double-bubble jetting produceerde dezelfde penetratielengte als single-bubble jetting, maar met een vermindering van 45% van het schadegebied, mogelijk resulterend in minder thermische en schokgolfschade aan het omringende medium, en van drie keer verder weg.

"Het gebruik van een laser-geïnduceerde dubbele bellenopstelling is een significant voordeel ten opzichte van eerdere studies, die afhankelijk zijn van een convergerend mondstuk of een onder druk staande holte om krachtige stralen te produceren, " werktuigbouwkunde professor en senior auteur Guillermo Aguilar zei. "Hier, we profiteren van de inherente fysica van de asynchrone ineenstorting van twee bellen om de jet te versnellen die het nabijgelegen oppervlak doorboort."

De studie concludeert dat cavitatie met dubbele bellen compacte, apparaatvrije alternatieven voor naaldloze toepassingen na verdere studie en verbetering.

De krant, "Perforatie van zacht materiaal via laser-geïnduceerde microjets met dubbele bellen, " is gepubliceerd in Fysica van vloeistoffen .