Monodisperse lipid-coated microbubbles are a promising route to unlock the full potential of ultrasound contrast agents for medical diagnosis and therapy. Here, we present a stand-alone lab-on-a-chip instrument that allows microbubbles to be formed with high monodispersity at high production rates. Key to maintaining a long-term stable, controlled, and safe operation of the microfluidic device with full control over the output size distribution is an optical transmission-based measurement technique that provides real-time information on the production rate and bubble size. We feed the data into a feedback loop and demonstrate that this system can control the on-chip bubble radius (2.5 μm–20 μm) and the production rate up to 106 bubbles/s. The freshly formed phospholipid-coated bubbles stabilize after their formation to a size approximately two times smaller than their initial on-chip bubble size without loss of monodispersity. The feedback control technique allows for full control over the size distribution of the agent and can aid the development of microfluidic platforms operated by non-specialist end users.

1.
J. R.
Lindner
,
Nat. Rev. Drug Discovery
3
,
527
533
(
2004
).
2.
M. A.
Averkiou
,
M. F.
Bruce
,
J. E.
Powers
,
P. S.
Sheeran
, and
P. N.
Burns
,
Ultrasound Med. Biol.
46
,
498
517
(
2020
).
3.
T. G.
Leighton
,
The Acoustic Bubble
(
Academic Press
,
1994
).
4.
K.
Kooiman
,
H. J.
Vos
,
M.
Versluis
, and
N.
de Jong
,
Adv. Drug Delivery Rev.
72
,
28
48
(
2014
).
5.
M.
Versluis
,
E.
Stride
,
G.
Lajoinie
,
B.
Dollet
, and
T.
Segers
,
Ultrasound Med. Biol.
46
,
2117
2144
(
2020
).
6.
M.
Minnaert
,
Philos. Mag.
16
,
235
248
(
1933
).
7.
P.
Frinking
,
T.
Segers
,
Y.
Luan
, and
F.
Tranquart
,
Ultrasound Med. Biol.
46
,
892
908
(
2020
).
8.
T.
Segers
,
N.
de Jong
, and
M.
Versluis
,
J. Acoust. Soc. Am.
140
,
2506
2517
(
2016
).
9.
A. L.
Klibanov
,
Invest. Radiol.
41
,
354
362
(
2006
).
10.
L.
Abou-Elkacem
,
S. V.
Bachawal
, and
J. K.
Willmann
,
Eur. J. Radiol.
84
,
1685
1693
(
2015
).
11.
J. E.
Streeter
,
R.
Gessner
,
I.
Miles
, and
P. A.
Dayton
,
Mol. Imaging
9
,
87
95
(
2010
).
12.
T.
Segers
,
P.
Kruizinga
,
M. P.
Kok
,
G.
Lajoinie
,
N.
De Jong
, and
M.
Versluis
,
Ultrasound Med. Biol.
44
,
1482
1492
(
2018
).
13.
A.
Helbert
,
E.
Gaud
,
T.
Segers
,
C.
Botteron
,
P.
Frinking
, and
V.
Jeannot
,
Ultrasound Med. Biol.
46
,
3339
3352
(
2020
).
14.
J. M.
Tsutsui
,
F.
Xie
, and
R. T.
Porter
,
Cardiovasc. Ultrasound
2
,
23
(
2004
).
15.
S.
Hernot
and
A. L.
Klibanov
,
Adv. Drug Delivery Rev.
60
,
1153
1166
(
2008
).
16.
A. R.
Carson
,
C. F.
McTiernan
,
L.
Lavery
,
M.
Grata
,
X.
Leng
,
J.
Wang
,
X.
Chen
, and
F. S.
Villanueva
,
Cancer Res.
72
,
6191
6199
(
2012
).
17.
H.
Dewitte
,
K.
Vanderperren
,
H.
Haers
,
E.
Stock
,
L.
Duchateau
,
M.
Hesta
,
J. H.
Saunders
,
S. C.
De Smedt
, and
I.
Lentacker
,
Theranostics
5
,
97
109
(
2015
).
18.
K.
Hynynen
,
N.
McDannold
,
N.
Vykhodtseva
,
S.
Raymond
,
R.
Weissleder
,
F. A.
Jolesz
, and
N.
Sheikov
,
J. Neurosurg.
105
,
445
454
(
2006
).
19.
A.
Burgess
,
K.
Shah
,
O.
Hough
, and
K.
Hynynen
,
Expert Rev. Neurother.
15
,
477
491
(
2015
).
20.
C. A.
Molina
,
A. D.
Barreto
,
G.
Tsivgoulis
,
P.
Sierzenski
,
M. D.
Malkoff
,
M.
Rubiera
,
N.
Gonzales
,
R.
Mikulik
,
G.
Pate
,
J.
Ostrem
 et al.,
Ann. Neurol.
66
,
28
38
(
2009
).
21.
M. D.
Bourn
,
D. V. B.
Batchelor
,
N.
Ingram
,
J. R.
McLaughlan
,
P. L.
Coletta
,
S. D.
Evans
, and
S. A.
Peyman
,
J. Controlled Release
326
,
13
24
(
2020
).
22.
B.
Helfield
,
X.
Chen
,
S. C.
Watkins
, and
F. S.
Villanueva
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
113
,
9983
9988
(
2016
).
23.
S.
Roovers
,
T.
Segers
,
G.
Lajoinie
,
J.
Deprez
,
M.
Versluis
,
S. C.
De Smedt
, and
I.
Lentacker
,
Langmuir
35
,
10173
10191
(
2019
).
24.
E.
Stride
,
T.
Segers
,
G.
Lajoinie
,
S.
Cherkaoui
,
T.
Bettinger
,
M.
Versluis
, and
M.
Borden
,
Ultrasound Med. Biol.
46
,
1326
1343
(
2020
).
25.
M.
Emmer
,
H. J.
Vos
,
D. E.
Goertz
,
A.
van Wamel
,
M.
Versluis
, and
N.
de Jong
,
Ultrasound Med. Biol.
35
,
102
111
(
2009
).
26.
D. E.
Goertz
,
N.
de Jong
, and
A. F. W.
van der Steen
,
Ultrasound Med. Biol.
33
,
1376
1388
(
2007
).
27.
J. A.
Feshitan
,
C. C.
Chen
,
J. J.
Kwan
, and
M. A.
Borden
,
J. Colloid Interface Sci.
329
,
316
324
(
2009
).
28.
T.
Segers
and
M.
Versluis
,
Lab Chip
14
,
1705
1714
(
2014
).
29.
M. P.
Kok
,
T.
Segers
, and
M.
Versluis
,
Lab Chip
15
,
3716
3722
(
2015
).
30.
S. A.
Peyman
,
R. H.
Abou-Saleh
,
J. R.
McLaughlan
,
N.
Ingram
,
B. R. G.
Johnson
,
K.
Critchley
,
S.
Freear
,
J. A.
Evans
,
A. F.
Markham
,
P. L.
Coletta
, and
S. D.
Evans
,
Lab Chip
12
,
4544
4552
(
2012
).
31.
S. A.
Peyman
,
J. R.
McLaughlan
,
R. H.
Abou-Saleh
,
G.
Marston
,
B. R. G.
Johnson
,
S.
Freear
,
P. L.
Coletta
,
A. F.
Markham
, and
S. D.
Evans
,
Lab Chip
16
,
679
687
(
2016
).
32.
A. M.
Gañán-Calvo
and
J. M.
Gordillo
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
274501
(
2001
).
33.
S. L.
Anna
,
N.
Bontoux
, and
H. A.
Stone
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
364
366
(
2003
).
34.
P.
Garstecki
,
I.
Gitlin
,
W.
DiLuzio
, and
G. M.
Whitesides
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
2649
2651
(
2004
).
35.
K.
Hettiarachchi
,
E.
Talu
,
M. L.
Longo
,
P. A.
Dayton
, and
A. P.
Lee
,
Lab Chip
7
,
463
468
(
2007
).
36.
E.
Talu
,
K.
Hettiarachchi
,
R. L.
Powell
,
A. P.
Lee
,
P. A.
Dayton
, and
M. L.
Longo
,
Langmuir
24
,
1745
1749
(
2008
).
37.
R.
Shih
,
D.
Bardin
,
T. D.
Martz
,
P. S.
Sheeran
,
P. A.
Dayton
, and
A. P.
Lee
,
Lab Chip
13
,
4816
4826
(
2013
).
38.
M. A.
Parrales
,
J. M.
Fernandez
,
M.
Perez-Saborid
,
J. A.
Kopechek
, and
T. M.
Porter
,
J. Acoust. Soc. Am.
136
,
1077
1084
(
2014
).
39.
Y.
Gong
,
M.
Cabodi
, and
T. M.
Porter
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
074103
(
2014
).
40.
T.
Segers
,
L.
de Rond
,
N.
de Jong
,
M.
Borden
, and
M.
Versluis
,
Langmuir
32
,
3937
3944
(
2016
).
41.
T.
Segers
,
D.
Lohse
,
M.
Versluis
, and
P.
Frinking
,
Langmuir
33
,
10329
10339
(
2017
).
42.
T.
Segers
,
E.
Gaud
,
G.
Casqueiro
,
A.
Lassus
,
M.
Versluis
, and
P.
Frinking
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
173701
(
2020
).
43.
T.
Segers
,
A.
Lassus
,
P.
Bussat
,
E.
Gaud
, and
P.
Frinking
,
Lab Chip
19
,
158
167
(
2019
).
44.
E.
Miller
,
M.
Rotea
, and
J. P.
Rothstein
,
Lab Chip
10
,
1293
1301
(
2010
).
45.
W.
Zeng
,
S.
Li
, and
Z.
Wang
,
Sens. Actuators, A
233
,
542
547
(
2015
).
46.
S.
Dekker
,
P. K.
Isgor
,
T.
Feijten
,
L. I.
Segerink
, and
M.
Odijk
,
Microsyst. Nanoeng.
4
,
34
(
2018
).
47.
R.
Rodriguez-Trujillo
,
O.
Castillo-Fernandez
,
M.
Garrido
,
M.
Arundell
,
A.
Valencia
, and
G.
Gomila
,
Biosens. Bioelectron.
24
,
290
296
(
2008
).
48.
J. M. R.
Rickel
,
A. J.
Dixon
,
A. L.
Klibanov
, and
J. A.
Hossack
,
Lab Chip
18
,
2653
2664
(
2018
).
49.
J.
Gong
 et al.,
Lab Chip
8
,
898
906
(
2008
).
50.
S. C. C.
Shih
,
R.
Fobel
,
P.
Kumar
, and
A. R.
Wheeler
,
Lab Chip
11
,
535
540
(
2011
).
51.
T. A.
Nguyen
,
T.-I.
Yin
,
D.
Reyes
, and
G. A.
Urban
,
Anal. Chem.
85
,
11068
11076
(
2013
).
52.
M. A.
Mansor
and
M. R.
Ahmad
,
Int. J. Mol. Sci.
16
,
12686
12712
(
2015
).
53.
N.-T.
Nguyen
,
S.
Lassemono
, and
F. A.
Chollet
,
Sens. Actuators, B
117
,
431
436
(
2006
).
54.
D.
Rabaud
,
P.
Thibault
,
M.
Mathieu
, and
P.
Marmottant
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
134501
(
2011
).
55.
P. Q. N.
Vo
,
M. C.
Husser
,
F.
Ahmadi
,
H.
Sinha
, and
S. C. C.
Shih
,
Lab Chip
17
,
3437
3446
(
2017
).
56.
Y.
Xie
,
A. J.
Dixon
,
J. M. R.
Rickel
,
A. L.
Klibanov
, and
J. A.
Hossack
,
Biomicrofluidics
14
,
034101
(
2020
).
57.
E.
Castro-Hernández
,
W.
van Hoeve
,
D.
Lohse
, and
J. M.
Gordillo
,
Lab Chip
11
,
2023
2029
(
2011
).
58.
T.
Segers
,
E.
Gaud
,
M.
Versluis
, and
P.
Frinking
,
Soft Matter
14
,
9550
9561
(
2018
).
59.
M. A.
Borden
and
K.-H.
Song
,
Adv. Colloid Interface Sci.
262
,
39
49
(
2018
).
60.
M.
Born
and
E.
Wolf
,
Principles of Optics
, 7th ed. (
Cambridge University Press
,
UK
,
1999
).
61.
B.
Kim
,
E.
Peterson
, and
I.
Papautsky
, in
The 26th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
(
IEEE
,
2004
), pp.
5013
5016
.
62.
W.
Kwiecinski
,
T.
Segers
,
S.
van Der Werf
,
A.
Van Houselt
,
D.
Lohse
,
H. J.
Zandvliet
, and
S.
Kooij
,
Langmuir
35
,
10453
10460
(
2019
).
63.
Y. S.
Shin
,
T. S.
Choi
,
H.
Kim
,
J. L.
Beauchamp
,
J. R.
Heath
, and
H. I.
Kim
,
Lab Chip
12
,
5243
5248
(
2012
).
64.
C.
Rands
,
B. W.
Webb
, and
D.
Maynes
,
Int. J. Heat Mass Transfer
49
,
2924
2930
(
2006
).
65.
G.
Mohiuddin Mala
and
D.
Li
,
Int. J. Heat Fluid Flow
20
,
142
148
(
1999
).
66.
G. L.
Morini
,
Microscale Thermophys. Eng.
8
,
15
30
(
2004
).
67.
J.
Judy
,
D.
Maynes
, and
B. W.
Webb
,
Int. J. Heat Mass Transfer
45
,
3477
3489
(
2002
).
68.
M. E.
Steinke
and
S. G.
Kandlikar
,
Int. J. Therm. Sci.
45
,
1073
1083
(
2006
).
69.
M.
Everts
and
J. P.
Meyer
,
Exp. Therm. Fluid Sci.
118
,
110153
(
2020
).
You do not currently have access to this content.