The study of the effects of ultrasound-induced acoustic cavitation on biological structures is an active field in biomedical research. Of particular interest for therapeutic applications is the ability of oscillating microbubbles to promote both cellular and tissue membrane permeabilisation and to improve the distribution of therapeutic agents in tissue through extravasation and convective transport. The mechanisms that underpin the interaction between cavitating agents and tissues are, however, still poorly understood. One challenge is the practical difficulty involved in performing optical microscopy and acoustic emissions monitoring simultaneously in a biologically compatible environment. Here we present and characterise a microfluidic layered acoustic resonator (μLAR) developed for simultaneous ultrasound exposure, acoustic emissions monitoring, and microscopy of biological samples. The μLAR facilitates in vitro ultrasound experiments in which measurements of microbubble dynamics, microstreaming velocity fields, acoustic emissions, and cell-microbubble interactions can be performed simultaneously. The device and analyses presented provide a means of performing mechanistic in vitro studies that may benefit the design of predictable and effective cavitation-based ultrasound treatments.

1.
A. K. W.
Wood
and
C. M.
Sehgal
,
Ultrasound Med. Biol.
41
,
905
(
2015
).
2.
M.
Aryal
,
C. D.
Arvanitis
,
P. M.
Alexander
, and
N.
McDannold
,
Adv. Drug Delivery Rev.
72
,
94
(
2014
).
3.
A.
Azagury
,
L.
Khoury
,
G.
Enden
, and
J.
Kost
,
Adv. Drug Delivery Rev.
72
,
127
(
2014
).
4.
K.
Ferrara
,
R.
Pollard
, and
M.
Borden
,
Annu. Rev. Biomed. Eng.
9
,
415
(
2007
).
5.
J. J.
Kwan
,
R.
Myers
,
C. M.
Coviello
,
S. M.
Graham
,
A. R.
Shah
,
E.
Stride
,
R. C.
Carlisle
, and
C. C.
Coussios
,
Small
11
,
5305
(
2015
).
6.
S. R.
Sirsi
and
M. A.
Borden
,
Adv. Drug Delivery Rev.
72
,
3
(
2014
).
7.
J. Y.
Lee
,
D.
Carugo
,
C.
Crake
,
J.
Owen
,
M.
De Saint Victor
,
A.
Seth
,
C.
Coussios
, and
E.
Stride
,
Adv. Mater.
27
,
5484
(
2015
).
8.
C.
Crake
,
J.
Owen
,
S.
Smart
,
C.
Coviello
,
C. C.
Coussios
,
R.
Carlisle
, and
E.
Stride
,
Ultrasound Med. Biol.
42
,
3022
(
2016
).
9.
G.
Korpanty
,
J. G.
Carbon
,
P. A.
Grayburn
,
J. B.
Fleming
, and
R. A.
Brekken
,
Clin. Cancer Res.
13
,
323
(
2007
).
10.
I.
Lentacker
,
I.
De Cock
,
R.
Deckers
,
S. C.
De Smedt
, and
C. T. W.
Moonen
,
Adv. Drug Delivery Rev.
72
,
49
(
2014
).
11.
A.
van Wamel
,
K.
Kooiman
,
M.
Harteveld
,
M.
Emmer
,
F. J.
ten Cate
,
M.
Versluis
, and
N.
de Jong
,
J. Controlled Release
112
,
149
(
2006
).
12.
N.
Kudo
,
K.
Okada
, and
K.
Yamamoto
,
Biophys. J.
96
,
4866
(
2009
).
13.
I.
De Cock
,
G.
Lajoinie
,
M.
Versluis
,
S. C.
De Smedt
, and
I.
Lentacker
,
Biomaterials
83
,
294
(
2016
).
14.
D.
Carugo
,
M.
Aron
,
E.
Sezgin
,
J.
Bernardino de la Serna
,
M. K.
Kuimova
,
C.
Eggeling
, and
E.
Stride
,
Biomaterials
113
,
105
(
2017
).
15.
L. J. M.
Juffermans
,
A.
van Dijk
,
C. A. M.
Jongenelen
,
B.
Drukarch
,
A.
Reijerkerk
,
H. E.
de Vries
,
O.
Kamp
, and
R. J. P.
Musters
,
Ultrasound Med. Biol.
35
,
1917
(
2009
).
16.
J.
Collis
,
R.
Manasseh
,
P.
Liovic
,
P.
Tho
,
A.
Ooi
,
K.
Petkovic-Duran
, and
Y.
Zhu
,
Ultrasonics
50
,
273
(
2010
).
17.
L.
Wang
,
J.
Tu
,
X.-S.
Guo
,
D.
Xu
, and
D.
Zhang
,
Chin. Phys. B
23
,
124302
(
2014
).
18.
C. D.
Arvanitis
,
M.
Bazan-Peregrino
,
B.
Rifai
,
L. W.
Seymour
, and
C. C.
Coussios
,
Ultrasound Med. Biol.
37
,
1838
(
2011
).
19.
G.
Lajoinie
,
I.
De Cock
,
C. C.
Coussios
,
I.
Lentacker
,
S.
Le Gac
,
E.
Stride
, and
M.
Versluis
,
Biomicrofluidics
10
,
11501
(
2016
).
20.
G.
Lukinavicius
,
K.
Umezawa
,
N.
Olivier
,
A.
Honigmann
,
G.
Yang
,
T.
Plass
,
V.
Mueller
,
L.
Reymond
,
I. R.
Corrêa
,
Z.-G.
Luo
,
C.
Schultz
,
E. A.
Lemke
,
P.
Heppenstall
,
C.
Eggeling
,
S.
Manley
, and
K.
Johnsson
,
Nat. Chem.
5
,
132
(
2013
).
21.
C.
Di Rienzo
,
E.
Gratton
,
F.
Beltram
,
F.
Cardarelli
,
C.
Di Rienzo
,
E.
Gratton
,
F.
Beltram
,
F.
Cardarelli
,
C.
Di Rienzo
,
E.
Gratton
,
F.
Beltram
, and
F.
Cardarelli
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
12307
(
2013
).
22.
I.
López-Duarte
,
T. T.
Vu
,
M. A.
Izquierdo
,
J. A.
Bull
, and
M. K.
Kuimova
,
Chem. Commun. (Cambridge)
50
,
5282
(
2014
).
23.
D. M.
Owen
,
C.
Rentero
,
A.
Magenau
,
A.
Abu-Siniyeh
, and
K.
Gaus
,
Nat. Protoc.
7
,
24
(
2012
).
24.
I.
De Cock
,
E.
Zagato
,
K.
Braeckmans
,
Y.
Luan
,
N.
de Jong
,
S. C.
De Smedt
, and
I.
Lentacker
,
J. Controlled Release
197
,
20
(
2015
).
25.
D.
Carugo
,
J.
Owen
,
C.
Crake
,
J. Y.
Lee
, and
E.
Stride
,
Ultrasound Med. Biol.
41
,
1927
(
2015
).
26.
P.
Marmottant
,
J. P.
Raven
,
H.
Gardeniers
,
J. G.
Bomer
, and
S.
Hilgenfeldt
,
J. Fluid Mech.
568
,
109
(
2006
).
27.
D.
Carugo
,
D. N.
Ankrett
,
P.
Glynne-Jones
,
L.
Capretto
,
R. J.
Boltryk
,
X.
Zhang
,
P. A.
Townsend
, and
M.
Hill
,
Biomicrofluidics
5
,
44108
(
2011
).
28.
L.
Meng
,
F.
Cai
,
P.
Jiang
,
Z.
Deng
,
F.
Li
,
L.
Niu
,
Y.
Chen
,
J.
Wu
, and
H.
Zheng
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
073701
(
2014
).
29.
W.
Longsine-Parker
,
H.
Wang
,
C.
Koo
,
J.
Kim
,
B.
Kim
,
A.
Jayaraman
, and
A.
Han
,
Lab Chip
13
,
2144
(
2013
).
30.
F.
Yuan
,
G.
Sankin
, and
P.
Zhong
,
J. Acoust. Soc. Am.
130
,
3339
(
2011
).
31.
M.
Wiklund
,
H.
Brismar
, and
B.
Önfelt
,
Lab Chip
12
,
3221
(
2012
).
32.
M.
Evander
and
J.
Nilsson
,
Lab Chip
12
,
4667
(
2012
).
33.
A.
Lenshof
,
C.
Magnusson
, and
T.
Laurell
,
Lab Chip
12
,
1210
(
2012
).
34.
A.
Ozcelik
,
D.
Ahmed
,
Y.
Xie
,
N.
Nama
,
Z.
Qu
,
A. A.
Nawaz
, and
T. J.
Huang
,
Anal. Chem.
86
,
5083
(
2014
).
35.
N.
Bertin
,
T.
Spelman
,
T.
Combriat
,
H.
Hue
,
O.
Stéphan
,
E.
Lauga
, and
M.
Philippe
,
Lab Chip
17
,
1515
(
2017
).
36.
S.
Orbay
,
A.
Ozcelik
,
J.
Lata
,
M.
Kaynak
,
M.
Wu
, and
T. J.
Huang
,
J. Micromech. Microeng.
27
,
15008
(
2017
).
37.
P.
Marmottant
and
S.
Hilgenfeldt
,
Nature
423
,
153
(
2003
).
38.
P.
Marmottant
and
S.
Hilgenfeldt
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
101
,
9523
(
2004
).
39.
B.
Rallabandi
,
C.
Wang
, and
S.
Hilgenfeldt
,
J. Fluid Mech.
739
,
57
(
2014
).
40.
M.
Ohlin
,
I.
Iranmanesh
,
A. E.
Christakou
, and
M.
Wiklund
,
Lab Chip
15
,
3341
(
2015
).
41.
M.
Gedge
and
M.
Hill
,
Lab Chip
12
,
2998
(
2012
).
42.
M.
Wiklund
,
R.
Green
, and
M.
Ohlin
,
Lab Chip
12
,
2438
(
2012
).
43.
P.
Glynne-Jones
,
R. J.
Boltryk
,
M.
Hill
,
N. R.
Harris
, and
P.
Baclet
,
J. Acoust. Soc. Am.
126
,
EL75
(
2009
).
44.
D.
Carugo
,
T.
Octon
,
W.
Messaoudi
,
A. L.
Fisher
,
M.
Carboni
,
N. R.
Harris
,
M.
Hill
, and
P.
Glynne-Jones
,
Lab Chip
14
,
3830
(
2014
).
45.
T.
van Rooij
,
I.
Skachkov
,
I.
Beekers
,
K. R.
Lattwein
,
J. D.
Voorneveld
,
T. J. A.
Kokhuis
,
D.
Bera
,
Y.
Luan
,
A. F. W.
van der Steen
,
N.
de Jong
, and
K.
Kooiman
,
J. Controlled Release
238
,
197
(
2016
).
46.
K.
Kooiman
,
M.
Foppen-Harteveld
,
A. F. W.
Van Der Steen
, and
N.
De Jong
,
J. Controlled Release
154
,
35
(
2011
).
47.
C.
Mannaris
and
M. A.
Averkiou
,
Ultrasound Med. Biol.
38
,
681
(
2012
).
48.
J.
Lei
,
P.
Glynne-Jones
, and
M.
Hill
,
Lab Chip
13
,
2133
(
2013
).
49.
S.
David
,
K.
Sefiane
, and
L.
Tadrist
,
Colloids Surf. A
298
,
108
(
2007
).
50.
C. T.
Chin
,
C.
Lancee
,
J.
Borsboom
,
F.
Mastik
,
M. E.
Frijlink
,
N.
De Jong
,
M.
Versluis
, and
D.
Lohse
,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
5026
(
2003
).
51.
B.
Helfield
,
X.
Chen
,
S. C.
Watkins
, and
F. S.
Villanueva
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
201606915
(
2016
).
52.
M. M.
Forbes
and
W. D.
O'Brien
,
J. Acoust. Soc. Am.
131
,
2723
(
2012
).
53.
Y. S. J.
Li
,
J. H.
Haga
, and
S.
Chien
,
J. Biomech.
38
,
1949
(
2005
).
54.
J. M.
Tarbell
,
Cardiovasc. Res.
87
,
320
(
2010
).
55.
W.
Wiedemair
,
Ž.
Tuković
,
H.
Jasak
,
D.
Poulikakos
, and
V.
Kurtcuoglu
,
Phys. Med. Biol.
57
,
1019
(
2012
).
56.
N.
Hosseinkhah
,
D. E.
Goertz
, and
K.
Hynynen
,
IEEE Trans. Biomed. Eng.
62
,
1293
(
2015
).
57.
A. A.
Doinikov
and
A.
Bouakaz
,
J. Acoust. Soc. Am.
128
,
11
(
2010
).
58.
B.
Verhaagen
,
C.
Boutsioukis
,
L. W. M.
van der Sluis
, and
M.
Versluis
,
J. Acoust. Soc. Am.
135
,
1717
(
2014
).
59.
R.
Bolaños-Jiménez
,
M.
Rossi
,
D.
Fernandez Rivas
,
C. J.
Kähler
, and
A.
Marin
,
J. Fluid Mech.
820
,
529
(
2017
).
60.
A.
Ooi
,
P.
Tho
, and
R.
Manasseh
,
J. Acoust. Soc. Am.
122
,
3051
(
2007
).
61.
C. C.
Coussios
,
C. H.
Farny
,
G.
ter Haar
, and
R. A.
Roy
,
Int. J. Hyperthermia
23
,
105
(
2007
).
62.
N.
McDannold
,
N.
Vykhodtseva
, and
K.
Hynynen
,
Proc. - IEEE Ultrason. Symp.
2
,
1249
(
2005
).
63.
J. J.
Kwan
,
S.
Graham
,
R.
Myers
,
R.
Carlisle
,
E.
Stride
, and
C. C.
Coussios
,
Phys. Rev. E - Stat. Nonlinear, Soft Matter Phys.
92
,
023019
(
2015
).
64.
R. E.
Kumon
,
M.
Aehle
,
D.
Sabens
,
P.
Parikh
,
Y. W.
Han
,
D.
Kourennyi
, and
C. X.
Deng
,
Ultrasound Med. Biol.
35
,
494
(
2009
).
65.
K.
Kooiman
,
A. F. W.
Van Der Steen
, and
N.
De Jong
,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control
60
,
1811
(
2013
).
66.
X.
Chen
,
R. S.
Leow
,
Y.
Hu
,
J. M. F.
Wan
, and
A. C. H.
Yu
,
J. R. Soc. Interface
11
,
20140071
(
2014
).
67.
A.
Delalande
,
S.
Kotopoulis
,
M.
Postema
,
P.
Midoux
, and
C.
Pichon
,
Gene
525
,
191
(
2013
).
68.
R.
Karshafian
,
P. D.
Bevan
,
R.
Williams
,
S.
Samac
, and
P. N.
Burns
,
Ultrasound Med. Biol.
35
,
847
(
2009
).
69.
H. A. S.
Kamimura
,
S.
Wang
,
S. Y.
Wu
,
M. E.
Karakatsani
,
C.
Acosta
,
A. A. O.
Carneiro
, and
E. E.
Konofagou
,
Phys. Med. Biol.
60
,
7695
(
2015
).
70.
Y.
Hu
,
J. M. F.
Wan
, and
A. C. H.
Yu
,
Ultrasound Med. Biol.
39
,
2393
(
2013
).
71.
Z.
Fan
,
R. E.
Kumon
,
J.
Park
, and
C. X.
Deng
,
J. Controlled Release
142
,
31
(
2010
).
72.
A.
Cafarelli
,
A.
Verbeni
,
A.
Poliziani
,
P.
Dario
,
A.
Menciassi
, and
L.
Ricotti
,
Acta Biomater.
49
,
368
(
2017
).
73.
C.
Wang
,
S. V.
Jalikop
, and
S.
Hilgenfeldt
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
034101
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.