Nieuwe contrastdeeltjes voor medische beeldvorming

Cavitatie is de vorming van dampbellen door in een vloeistof de druk te verlagen of de temperatuur te verhogen. In dat laatste geval spreekt men meestal van koken. Cavitatie is doorgaans een chaotisch en destructief proces. Zo worden scheepsschroeven en pompen aangetast door cavitatie. Als de cavitatie kan worden gecontroleerd, zijn er hele nieuwe toepassingen mogelijk in bijvoorbeeld ultrasoon reinigen en chemie op de microschaal. In medische toepassingen worden nierstenen op een gecontroleerde manier vergruisd door middel van cavitatie en proberen onderzoekers met behulp van cavitatiebellen bloedproppen op te lossen om de bloedtoevoer te herstellen.

Ultrakorte tijdschalen

De fysische fenomenen van verdamping op de microschaal zijn vaak niet begrepen door de ultrakorte nanoseconde-tijdschalen waarop dit soort processen zich afspelen. Daar komt nu dus verandering in. "Wij hebben het verdampingsproces op de relevante tijdsschaal zowel optisch als akoestisch kunnen meten", vertelt Michel Versluis, hoogleraar in de fysische en medische akoestiek aan de Universiteit Twente. "Wat we zagen, was dat een 3-micrometer polymeerdeeltje in een microseconde wordt opgewarmd en begint te smelten. In die korte tijd is de olie in het deeltje al wel opgewarmd tot 250 graden en het water om het deeltje is net boven het kookpunt. Als de polymeerschil van het deeltje helemaal is doorgesmolten, stroomt de hete olie in het oververhitte water. Dit leidt tot directe verdamping van het water en de vorming van een dampbel, die vervolgens implodeert. We hebben een model gemaakt dat de warmtehuishouding in en om het deeltje nauwkeurig berekent en we vinden een hele mooie overeenkomst tussen het model en de experimenten. De imploderende, microscopisch kleine bel leidt tot een korte knal en dat geluid kunnen we goed meten (en modelleren). Zo kunnen we deze deeltjes ook goed gebruiken als contrastdeeltjes voor fotoakoestiek, waarbij je een laser door weefsel stuurt en het geluid dat geproduceerd wordt door dit soort deeltjes kunt opvangen voor diagnostische toepassingen in de medische beeldvorming."    

Meer ontdekkingen

De onderzoekers kwamen tijdens hun werk tot meer ontdekkingen.

• Deeltjes die alleen met een gas gevuld waren, werkten net zo goed als de met olie gevulde deeltjes. Hier fungeert het vrijkomende gas als een nucleatiekern voor het koken op het moment dat de polymeerschil is doorgesmolten. De functie van de olie is dat er medicijnen in kunnen worden opgelost. De onderzoekers kijken ook naar een polymeer met een veel lager smeltpunt en een vloeistof in het deeltje met een heel laag kookpunt. Versluis: "Zo kunnen we het systeem activeren bij een veel lagere laserintensiteit en bij een lagere temperatuur waardoor we een groter scala aan medicijnen kunnen laten vrijkomen".
• Wanneer het deeltje niet met een korte laserpuls belicht wordt, maar er continu laserlicht op losgelaten wordt (met een veel lagere intensiteit), werd duidelijk dat het deeltje voortdurend een akoestisch signaal afgaf. "Wat bleek was dat het polymeerdeeltje in eerste instantie opbreekt en dat bij de vorming van de dampbel polymeerfragmenten uit de laserbundel werden geduwd waardoor ze weer afkoelden. Door de afkoeling condenseert de dampbel (krimpt/implodeert) waardoor de fragmenten weer in de laser worden getrokken, wat weer leidt tot snelle opwarming en de vorming van een nieuwe dampbel. Dit proces gaat net zo lang door als dat de laser aanstaat. Deze verrassende ontdekking opent de weg naar nieuwe toepassingen in de medische beeldvorming die goedkoper zijn en bovendien veiliger en daardoor breder toepasbaar."

Samenwerking

Het werk komt voort uit een samenwerkingsverband tussen de vakgroep Physics of Fluids (Mesa+ en Mira) en de vakgroep Biomedical Photonic Imaging (Mira) van de Universiteit Twente, Philips Research Eindhoven en het Erasmus MC Rotterdam. Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door een subsidie uit het NanoNextNL programma dat zich richt op de ontwikkeling van nanotechnologie in de breedste zin van het woord; van nanomedicijnen tot nanoprinten, voedselproductie, schoon water en sensoren.

Lajoinie, G. et al. Ultrafast vapourization dynamics of laser-activated polymeric microcapsules, Nat. Commun. 5:3671 doi: 10.1038/ncomms4671 (2014).