Gli ultrasuoni sono stati a lungo uno strumento importante per l'imaging medico. Recentemente, ricercatori medici hanno dimostrato che le onde ultrasoniche focalizzate possono anche migliorare la somministrazione di agenti terapeutici come farmaci e materiale genetico. Le onde formano bolle che rendono le membrane cellulari, così come le membrane sintetiche che racchiudono vescicole che trasportano farmaci, più permeabili. Però, l'interazione bolla-membrana non è ben compresa.

Gusci morbidi di lipidi, insolubile in acqua, sono un componente chiave della barriera che circonda le cellule. Sono anche usati come nanovettori di farmaci:particelle di dimensioni nanometriche di molecole di grasso o lipidi che trasportano il farmaco da somministrare localmente nell'organo o nella posizione malati, e che può essere iniettato all'interno del corpo.

Il guscio lipidico può essere "scoppiato" dalle onde sonore, che può essere focalizzato su un punto delle dimensioni di un chicco di riso, con conseguente apertura altamente localizzata delle barriere che potenzialmente superano le principali sfide nella somministrazione dei farmaci.

Però, la comprensione di tali interazioni è molto limitata, il che rappresenta un grosso ostacolo nelle applicazioni biomediche degli ultrasuoni. I gusci lipidici possono fondersi da un gel a un materiale simile a un fluido a seconda delle condizioni ambientali.

Osservando i cambiamenti nanoscopici nei gusci lipidici in tempo reale mentre sono esposti alle onde sonore, la nostra ricerca ha dimostrato che i gusci lipidici sono più facili da far scoppiare quando sono vicini allo scioglimento. Mostriamo anche che dopo la rottura, si forma una cavità e i lipidi all'interfaccia sperimentano "raffreddamento evaporativo - lo stesso processo mediante il quale il sudore raffredda il nostro corpo - che può congelare localmente i lipidi, o anche acqua, all'interfaccia. Questa ricerca fa avanzare la comprensione fondamentale dell'interazione delle onde sonore e dei gusci lipidici con le applicazioni nella somministrazione di farmaci.

Abbiamo eseguito esperimenti ad ultrasuoni su una soluzione acquosa contenente una varietà di membrane lipidiche, che sono simili alle membrane cellulari. Abbiamo etichettato le membrane con marcatori fluorescenti la cui emissione di luce ha fornito informazioni sull'ordinamento molecolare all'interno delle membrane. Abbiamo quindi sparato impulsi a ultrasuoni nella soluzione e osservato la presenza di bolle. Le bolle hanno iniziato a formarsi a un'energia acustica inferiore quando le membrane stavano passando da uno stato gel a uno stato più liquido. Le bolle sono durate anche più a lungo durante questa fase di transizione.

Abbiamo spiegato questi effetti osservati con un modello che, a differenza dei modelli precedenti, tiene conto del flusso di calore tra le membrane e il fluido circostante.

Il lavoro futuro potrebbe essere in grado di utilizzare questo modello di termodinamica a membrana per ottimizzare i veicoli che trasportano farmaci con membrane che attraversano una transizione di fase nel momento desiderato durante una procedura a ultrasuoni.