Två mikroskopiska bubblor är bättre än en för att tränga igenom mjuka material, avslutar en ny studie av ingenjörer vid University of California, Riverside.

Optisk kavitation, som använder en laser för att bilda bubblor i en vätska som expanderar snabbt och sedan kollapsar, kan vara ett säkert sätt att snabbt och effektivt leverera terapeutiska medel, såsom droger eller gener, direkt in i levande celler. Nuvarande metoder för att införa främmande material i celler, känd som transfektion, lita på att punktera det yttre membranet med en laser, som riskerar värmeskador på cellen, eller en pipett, som riskerar förorening.

Fast inte riktigt redo för bästa sändningstid ännu, forskare förbättrar optiska kavitationstekniker. Det nya papperet visar att två bubblor producerar långa, fina strålar som tränger tillräckligt långt in med bara fem pulser för att göra kavitation potentiellt lämplig för transfektion eller nålfria injektioner.

"Studiet av kavitationsbubblor har utvecklats relativt snabbt, från att lära sig hur man undviker den skada de orsakar på fartygets propellrar till att dra nytta av medicinleverans, "sa Vicente Robles, doktorand vid Marlan och Rosemary Bourns College of Engineering, som ledde studien. "Den största begränsningen för deras applikationer är vår kreativitet."

Kavitationsbubblor är mikronstora och lever bara en bråkdel av en sekund, men generera starka, lokala förändringar i fysiska egenskaper hos det omgivande mediet, gör dem till främsta kandidater för lokal rengöring av ytan, cellinriktning, och värme eller kyla.

I konfigurationer med dubbelbubbla, en bubbla kollapsar snabbare och påskyndar grannbubblan för att vända och genomborra sig själv, avger en snabb jet som kan, om det är tillräckligt kraftfullt, genomborra också ett cellmembran och eventuellt användas för att transfektera en cell. Dock, jetens hastighet, tvinga, och bana påverkas starkt av de mekaniska egenskaperna hos mediet som omger det och bubblornas rumsliga och tidsmässiga separationer.

Robles började med att använda lasrar för att skapa bubblor som bildar vattenstrålar riktade mot ett medium. Han jämförde sedan enkel- och dubbelbubbla strålar riktade mot både vaselin och en transparent agargel som ofta används för att modellera mänsklig vävnad.

Dubbelbubbla-processen skapade långsträckt, snabb, fokuserade jetstrålar som ökade i längd och volym när de riktades mot agargelen. Bara fem pulser trängde in 1,5 millimeter - tillräckligt för att genomborra människans hud. Detta uppnåddes utan de speciella mikro-munstyckena som används i befintliga laserinjektionssystem. I vaselin, dubbelbubbla jetting producerade samma penetrationslängd som enkelbubbla jetting, men med 45% minskning av skadeområdet, vilket kan leda till mindre termisk och stötvågskada på det omgivande mediet, och tre gånger längre bort.

"Användningen av ett laserinducerat dubbelbubblarrangemang är en betydande fördel jämfört med tidigare studier, som förlitar sig på ett konvergerande munstycke eller hålrum under tryck för att producera kraftfulla strålar, "professor i maskinteknik och seniorförfattare Guillermo Aguilar." Här, vi utnyttjar den inneboende fysiken i den asynkrona kollapsen mellan två bubblor för att påskynda strålen som genomborrar den närliggande ytan. "

Studien drar slutsatsen att dubbelbubbla kavitation kan erbjuda kompakt, enhetsfria alternativ för nålfria applikationer efter ytterligare studier och förbättringar.

Pappret, "Perforering av mjukt material via dubbelbubbla laserinducerade kavitationsmikrostrålar, "publiceras i Vätskans fysik .