Sommario La dinamica di micro-bolle indotte da ultrasuoni è fondamentale per applicazioni biomediche, quali la diagnostica o terapie anti-cancro. Nelle applicazioni terapeutiche, le bolle sono tipicamente incorporate nel tessuto e la loro dinamica è fortemente influenzata dalle proprietà viscoelastiche del mezzo in cui sono sospese. Mentre il comportamento delle bolle nei fluidi Newtoniani è ben caratterizzato, non è ancora chiaro l’effetto di un mezzo viscoelastico sulle dinamiche a bolle soggette a ultrasuoni. In questo lavoro abbiamo caratterizzato la risposta di micro-bolle sospese in gel di agarosio quando sono soggette ad ultrasuoni. Abbiamo preparato gel con differenti proprietà viscoelastiche variando la concentrazione di agarosio. Le proprietà a bassa frequenza sono state caratterizzate da prove reologiche standard. Attraverso microscopia ad alta velocità abbiamo caratterizzato le curve di risonanza delle micro-bolle. Successivamente abbiamo sviluppato un modello che combina l’equazione di Rayleigh-Plesset, che governa la dinamica delle bolle, con il modello Kelvin-Voigt per il mezzo viscoelastico. Attraverso questo modello abbiamo estratto le proprietà viscoelastiche del materiale ad alte frequenze. Le proprietà viscoelastiche derivate dalla dinamica delle bolle a ultrasuoni differiscono significativamente da quelle misurate a bassa frequenza con il reometro. Di conseguenza, la caratterizzazione reologica di biomateriali per applicazioni medicali ad ultrasuoni richiede particolare attenzione alla velocità di deformazione applicata.

Parole chiave bolle, dinamica, gels, ultrasuoni

Abstract Ultrasound-driven microbubble dynamics are central to biomedical applications, from diagnostic imaging to drug delivery and therapy. In therapeutic applications, the bubbles are typically embedded in tissue, and their dynamics are strongly affected by the viscoelastic properties of the soft solid medium. While the behaviour of bubbles in Newtonian fluids is well characterised, a fundamental understanding of the effect on ultrasound-driven bubble dynamics of a soft viscoelastic medium is still being developed. We characterised the resonant behaviour in ultrasound of isolated microbubbles embedded in agarose gels. Gels with different viscoelastic properties were obtained by tuning agarose concentration, and were characterised by standard rheological tests. Low-frequency properties have been characterized by standard rheological tests. Resonance curves were measured experimentally and fitted to a model combining the Rayleigh-Plesset equation governing bubble dynamics, with the Kelvin-Voigt model for the viscoelastic medium. Through this model, the viscoelastic properties of the material at high frequency have been extracted. The viscoelastic properties inferred from ultrasound-driven bubble dynamics differ significantly from those measured at low frequency with the rheometer. Hence, rheological characterisation of biomaterials for medical ultrasound applications requires particular attention to the strain rate applied.

Keywords bubbles, dynamics, gels, ultrasound