Agents de contraste ultrasonores : des oscillations sphériques et de la dynamique de flambage à la nage

Cleverly engineered microswimmers have drawn increasing attention and have shown great promise for various biomedical applications.In this study, we propose a novel mechanism of propulsion in fluids at the microscale, using a buckling mechanism activated by pressure waves.We considered an in vivo-friendly hollow elastic shell of micrometric size composed of a lipidic shell enclosing a gas bubble. Such microshells are approved for clinical use as diagnostic ultrasound contrast agents (UCAs).We investigate, experimentally, the buckling dynamics of microshells upon an increase of the external pressure. The effect of the driving frequency is studied as well as that of the size and mechanical properties of the microshells. We confront the results to existing theories on buckling dynamics that consider shells made out of an isotropic and incompressible material.In parallel, we highlight that such hypothesis are too restrictive to account accurately for the dynamics of such UCAs with lipidic shells. To do so, we consider the spherical oscillations of these shells. In this simpler configuration, we derive a new theoretical model that includes the compressibility of the shell and its elastic anisotropy in the radial direction. We thus offer a better description of the spherical oscillation that have been widely studied theoretically and experimentally in the past three decades.Finally, we evidence, a non-zero displacement upon a complete cycle of deflation and re-inflation of the microshells, that includes buckling events.This non-input dependent propulsion mechanism whose direction is controlled in the shell reference frame can be an answer to the problem of directivity accounted in the acoustic radiation force technique used in ultrasound molecular imaging and drug delivery.Les micro-nageurs intelligemment conçus ont attiré une attention croissante et se sont révélés très prometteurs pour diverses applications biomédicales.Dans cette étude, nous proposons un nouveau mécanisme de propulsion dans les fluides à l'échelle microscopique, en utilisant un mécanisme de flambage activé par des ondes de pression.Nous avons considéré une coquille élastique creuse de taille micrométrique composée d'une enveloppe lipidique renfermant une bulle de gaz. De telles micro coquilles sont approuvées pour une utilisation clinique comme agents de contraste ultrasonores (UCA).Nous étudions, de manière expérimentale, la dynamique de flambage des micro-enveloppes lors d'une augmentation de la pression externe. L'effet de la fréquence d'excitation est étudié, ainsi que celui de la taille et des propriétés mécaniques des micro-coquilles. Nous confrontons les résultats aux théories existantes sur la dynamique de flambage qui considèrent des coquilles constituées d'un matériau isotrope et incompressible.En parallèle, nous mettons en évidence que de telles hypothèses sont trop restrictives pour rendre compte avec précision de la dynamique de tels UCAs à coquilles lipidiques. Pour ce faire, nous considérons les oscillations sphériques de ces coquilles. Dans cette configuration plus simple, nous dérivons un nouveau modèle théorique qui inclut la compressibilité de la coquille et son anisotropie élastique dans la direction radiale. Nous offrons ainsi une meilleure description des oscillations sphériques qui ont été largement étudiées théoriquement et expérimentalement au cours des trois dernières décennies.Enfin, nous mettons en évidence un déplacement non nul lors d'un cycle complet de dégonflage et de regonflage des micro-coquilles, qui inclut des événements de flambage.Ce mécanisme de propulsion non dépendant de la source dont la direction est contrôlée dans le cadre de référence de la coquille peut être une réponse au problème de la directivité prise en compte dans la technique de force de rayonnement acoustique utilisée dans l'imagerie moléculaire ultrasonore et l'administration de médicaments ciblés

Ultrasound contrast agents : from spherical oscillations and buckling dynamics to swimming

Les micro-nageurs intelligemment conçus ont attiré une attention croissante et se sont révélés très prometteurs pour diverses applications biomédicales.Dans cette étude, nous proposons un nouveau mécanisme de propulsion dans les fluides à l'échelle microscopique, en utilisant un mécanisme de flambage activé par des ondes de pression.Nous avons considéré une coquille élastique creuse de taille micrométrique composée d'une enveloppe lipidique renfermant une bulle de gaz. De telles micro coquilles sont approuvées pour une utilisation clinique comme agents de contraste ultrasonores (UCA).Nous étudions, de manière expérimentale, la dynamique de flambage des micro-enveloppes lors d'une augmentation de la pression externe. L'effet de la fréquence d'excitation est étudié, ainsi que celui de la taille et des propriétés mécaniques des micro-coquilles. Nous confrontons les résultats aux théories existantes sur la dynamique de flambage qui considèrent des coquilles constituées d'un matériau isotrope et incompressible.En parallèle, nous mettons en évidence que de telles hypothèses sont trop restrictives pour rendre compte avec précision de la dynamique de tels UCAs à coquilles lipidiques. Pour ce faire, nous considérons les oscillations sphériques de ces coquilles. Dans cette configuration plus simple, nous dérivons un nouveau modèle théorique qui inclut la compressibilité de la coquille et son anisotropie élastique dans la direction radiale. Nous offrons ainsi une meilleure description des oscillations sphériques qui ont été largement étudiées théoriquement et expérimentalement au cours des trois dernières décennies.Enfin, nous mettons en évidence un déplacement non nul lors d'un cycle complet de dégonflage et de regonflage des micro-coquilles, qui inclut des événements de flambage.Ce mécanisme de propulsion non dépendant de la source dont la direction est contrôlée dans le cadre de référence de la coquille peut être une réponse au problème de la directivité prise en compte dans la technique de force de rayonnement acoustique utilisée dans l'imagerie moléculaire ultrasonore et l'administration de médicaments ciblés.Cleverly engineered microswimmers have drawn increasing attention and have shown great promise for various biomedical applications.In this study, we propose a novel mechanism of propulsion in fluids at the microscale, using a buckling mechanism activated by pressure waves.We considered an in vivo-friendly hollow elastic shell of micrometric size composed of a lipidic shell enclosing a gas bubble. Such microshells are approved for clinical use as diagnostic ultrasound contrast agents (UCAs).We investigate, experimentally, the buckling dynamics of microshells upon an increase of the external pressure. The effect of the driving frequency is studied as well as that of the size and mechanical properties of the microshells. We confront the results to existing theories on buckling dynamics that consider shells made out of an isotropic and incompressible material.In parallel, we highlight that such hypothesis are too restrictive to account accurately for the dynamics of such UCAs with lipidic shells. To do so, we consider the spherical oscillations of these shells. In this simpler configuration, we derive a new theoretical model that includes the compressibility of the shell and its elastic anisotropy in the radial direction. We thus offer a better description of the spherical oscillation that have been widely studied theoretically and experimentally in the past three decades.Finally, we evidence, a non-zero displacement upon a complete cycle of deflation and re-inflation of the microshells, that includes buckling events.This non-input dependent propulsion mechanism whose direction is controlled in the shell reference frame can be an answer to the problem of directivity accounted in the acoustic radiation force technique used in ultrasound molecular imaging and drug delivery

Agents de contraste ultrasonores : des oscillations sphériques et de la dynamique de flambage à la nage

Cleverly engineered microswimmers have drawn increasing attention and have shown great promise for various biomedical applications.In this study, we propose a novel mechanism of propulsion in fluids at the microscale, using a buckling mechanism activated by pressure waves.We considered an in vivo-friendly hollow elastic shell of micrometric size composed of a lipidic shell enclosing a gas bubble. Such microshells are approved for clinical use as diagnostic ultrasound contrast agents (UCAs).We investigate, experimentally, the buckling dynamics of microshells upon an increase of the external pressure. The effect of the driving frequency is studied as well as that of the size and mechanical properties of the microshells. We confront the results to existing theories on buckling dynamics that consider shells made out of an isotropic and incompressible material.In parallel, we highlight that such hypothesis are too restrictive to account accurately for the dynamics of such UCAs with lipidic shells. To do so, we consider the spherical oscillations of these shells. In this simpler configuration, we derive a new theoretical model that includes the compressibility of the shell and its elastic anisotropy in the radial direction. We thus offer a better description of the spherical oscillation that have been widely studied theoretically and experimentally in the past three decades.Finally, we evidence, a non-zero displacement upon a complete cycle of deflation and re-inflation of the microshells, that includes buckling events.This non-input dependent propulsion mechanism whose direction is controlled in the shell reference frame can be an answer to the problem of directivity accounted in the acoustic radiation force technique used in ultrasound molecular imaging and drug delivery.Les micro-nageurs intelligemment conçus ont attiré une attention croissante et se sont révélés très prometteurs pour diverses applications biomédicales.Dans cette étude, nous proposons un nouveau mécanisme de propulsion dans les fluides à l'échelle microscopique, en utilisant un mécanisme de flambage activé par des ondes de pression.Nous avons considéré une coquille élastique creuse de taille micrométrique composée d'une enveloppe lipidique renfermant une bulle de gaz. De telles micro coquilles sont approuvées pour une utilisation clinique comme agents de contraste ultrasonores (UCA).Nous étudions, de manière expérimentale, la dynamique de flambage des micro-enveloppes lors d'une augmentation de la pression externe. L'effet de la fréquence d'excitation est étudié, ainsi que celui de la taille et des propriétés mécaniques des micro-coquilles. Nous confrontons les résultats aux théories existantes sur la dynamique de flambage qui considèrent des coquilles constituées d'un matériau isotrope et incompressible.En parallèle, nous mettons en évidence que de telles hypothèses sont trop restrictives pour rendre compte avec précision de la dynamique de tels UCAs à coquilles lipidiques. Pour ce faire, nous considérons les oscillations sphériques de ces coquilles. Dans cette configuration plus simple, nous dérivons un nouveau modèle théorique qui inclut la compressibilité de la coquille et son anisotropie élastique dans la direction radiale. Nous offrons ainsi une meilleure description des oscillations sphériques qui ont été largement étudiées théoriquement et expérimentalement au cours des trois dernières décennies.Enfin, nous mettons en évidence un déplacement non nul lors d'un cycle complet de dégonflage et de regonflage des micro-coquilles, qui inclut des événements de flambage.Ce mécanisme de propulsion non dépendant de la source dont la direction est contrôlée dans le cadre de référence de la coquille peut être une réponse au problème de la directivité prise en compte dans la technique de force de rayonnement acoustique utilisée dans l'imagerie moléculaire ultrasonore et l'administration de médicaments ciblés

Spherical oscillations of encapsulated microbubbles: Effect of shell compressibility and anisotropy

International audienc

Buckling of lipidic ultrasound contrast agents under quasi-static load

Collapse of lipidic ultrasound contrast agents under high-frequency compressive load has been historically interpreted by the vanishing of surface tension. By contrast, buckling of elastic shells is known to occur when costly compressible stress is released through bending. Through quasi-static compression experiments on lipidic shells, we analyse the buckling events in the framework of classical elastic buckling theory and deduce the mechanical characteristics of these shells. They are then compared with that obtained through acoustic characterization. This article is part of the theme issue 'Probing and dynamics of shock sensitive shells'

Coated microbubbles swim via shell buckling

Abstract Engineered microswimmers show great promise in various biomedical applications. However, their application is hindered by the slow mobility, limited maneuverability and poor biocompatibility. Lipid coated microbubbles have high compressibility and are already approved for clinical use as diagnostic ultrasound contrast agents. Here we experimentally investigate the swimming motion of these microbubbles under external cyclic overpressure. A net displacement was generated via reproducible and non-destructive cycles of deflation and re-inflation of the microbubble. We also propose a numerical model which allows a maximum swimming speed on the order of meters per second, which falls in the range of blood flow velocity in large vessels. Unlike the acoustic radiation force technique, where the displacement is always directed along the axis of ultrasound propagation, here, the direction of propulsion is controlled in the shell reference frame. This provides a solution toward controlled steering for ultrasound molecular imaging and drug delivery