Ultraljud har länge varit ett viktigt verktyg för medicinsk bildbehandling. Nyligen, medicinska forskare har visat att fokuserade ultraljudsvågor också kan förbättra leveransen av terapeutiska medel som läkemedel och genetiskt material. Vågorna bildar bubblor som gör cellmembran - såväl som syntetiska membran som omsluter läkemedelsbärande vesiklar - mer genomsläppliga. Dock, bubbel-membraninteraktionen är inte väl förstått.

Mjuka lipidskal, olöslig i vatten, är en nyckelkomponent i barriären som omger celler. De används också som nanobärare av läkemedel:nanometerstora partiklar av fett eller lipidmolekyler som bär läkemedlet för att levereras lokalt vid det sjuka organet eller platsen, och som kan injiceras inuti kroppen.

Lipidskalet kan "poppas" av ljudvågor, som kan fokuseras till en plats runt storleken av ett riskorn, vilket resulterar i en mycket lokaliserad öppning av barriärer som potentiellt kan övervinna stora utmaningar i läkemedelsleveransen.

Dock, förståelsen för sådana interaktioner är mycket begränsad, vilket är ett stort hinder i biomedicinska tillämpningar av ultraljud. Lipidskal kan smälta från en gel till ett vätskeliknande material beroende på miljöförhållanden.

Genom att observera de nanoskopiska förändringarna i lipidskal i realtid när de utsätts för ljudvågor, vår forskning har visat att lipidskal är lättast att fälla när de är nära att smälta. Vi visar också att efter bristning, ett hålrum bildas och lipiderna vid gränssnittet upplever "avdunstningskylning - samma process genom vilken svett kyler vår kropp - som lokalt kan frysa lipiderna, eller till och med vatten, vid gränssnittet. Denna forskning främjar den grundläggande förståelsen av samspelet mellan ljudvågor och lipidskal med tillämpningar vid läkemedelsleverans.

Vi utförde ultraljudsexperiment på en vattenlösning innehållande en mängd olika lipidmembran, som liknar cellulära membran. Vi märkte membranen med fluorescerande markörer vars ljusemission gav information om den molekylära ordningen inom membranen. Vi avfyrade sedan ultraljudspulser i lösningen och tittade efter bubblor. Bubblorna började bildas vid lägre akustisk energi när membranen övergick från ett geltillstånd till ett mer vätskeliknande tillstånd. Bubblorna varade också längre under denna fasövergång.

Vi förklarade dessa observerade effekter med en modell som – till skillnad från tidigare modeller – står för värmeflödet mellan membranen och den omgivande vätskan.

Framtida arbete kanske kan använda denna modell av membrantermodynamik för att optimera läkemedelsbärande vehiklar med membran som går igenom en fasövergång vid önskat ögonblick under en ultraljudsprocedur.