מרחפים על גלי קול עם ריחוף אקוסטי! ®COMSOL Multiphysics בשירות הרפואה

לקול יש כוח מעורר כבוד. תחת התנאים הנכונים, הוא מסוגל לבצע מניפולציה ולשנות את מצב הצבירה. התעשייה הפרמצבטית פונה לריחוף אקוסטי כדי לענות על הצורך התמידי במערכות למסירת תרופות בעלות איכות גבוהה, במיוחד כאשר מתרחבת טכנולוגיית הטיפול בחולים והופכת מותאמת אישית יותר.

במעבדה הלאומית ארגון, חלק ממשרד האנרגיה האמריקאי, קמלש סות’ר וכריס בנמור עומלים רבות על הטמעת טכנולוגיה אקוסטית שתשנה את הייצור של תרופות. הצוות פונה לסימולציה מולטיפיזיקלית ב- ®COMSOL Multiphysics בכדי לשפר את המרחף האקוסטי שלהם – מתקן המייצר גלי קול כדי להרים ולשנות חומר (מצב צבירה).

תרופות המיוצרות בצורה אקוסטית

ע”י עירבוב כימיקלים בעודם מסתובבים וצפים באוויר, ארגון עובדים על סיוע בייצור יעיל יותר והעברה של מוצרי תרופות. בסביבה מבוקרת, המרחף מספק חלל נטול כלי קיבול וחסר חומרים מזהמים לטובת יצירת כימיקלים אמורפיים בטיהור גבוה. לפי הצוות של ארגון, “תרופות אמורפיות רבות מעורבבות עם פולימר במטרה להשאירן יציבות לאורך זמן”. בנקודת האמצע של כל צומת של הגלים העומדים במרחף האקוסטי של סות’ר, מולקולות מתגבשות לטיפות ויוצרות כדורים קטנים. הטיפות צפות מילימטרים ספורים בנפרד ומסתובבות בעדינות, ונתלים בין שני מתמרים פייזואלקטריים קטנים.
גובה ותדר הגבוהים במקצת מהטווח שניתן לשמוע אותו, 160 db ו- 220 KHz, מייצרים גלים אקוסטיים עומדים עם כיסים של אזורי לחץ גבוה. המתמרים ממירים אנרגיה חשמלית ללחץ אקוסטי. השיטה שנקבעה במקום ע”י סות’ר ובנמור היא טכניקה עוצמתית לפיתוח תרופות. קל יותר לגוף האנושי לספוג ולעבד כימיקלים אמורפיים שכן הם יותר מסיסים וספיגים מאשר בצורתם הקריסטלית.

יכולת ההרמה של כוח אקוסטופורטי

תכנון הגיאומטריה בצורה הנכונה כדי לשלוט בתזוזה של החלקיקים הוא קריטי לתפקוד המתקן המרחף. בניסוי זה, מספר כוחות מאוזנים פועלים יחדיו כדי ליצור תופעה שתאפשר לחלקיקים לצוף בדרך מבוקרת. יש לקחת בחשבון בהקשר של הטיפות את: הכוח האקוסטופורטי, אינטראקציית חלקיק-חלקיק, סחיבה, כוח משיכה ומתיחות של פני השטח. תבניות ספציפיות של קצף בפרופיל גאוסיאני העשוי פוליסטירן תוכננו להסיר כל גל אקוסטי בלתי רצוי הנוצר ע”י המתמרים, ומתפקדות כמסננות לאורך הקצה של כל אחד, יוצרות גל עומד מוגדר היטב המשתקף בצורה שווה, עם התערבות קלה. פרמטרים אלו גורמים לחלקיקים להסתדר בצורה אנכית, ואז מתגבשים במהירות לכדי טיפות. הטיפות נשארות בפוזיציה האנכית הרצויה הזו כיוון שהן נעות כל הזמן בכיוון אופקי.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

יוצרים תובנות אודות חומרים פייזואלקטריים עבור זרימה אקוסטית בעזרת סימולציות נומריות ב- ®COMSOL Multiphysics

סימולציות נומריות מסייעות לחוקרים להבין את התגובות ההדדיות בין גלים אקוסטיים על פני השטח לבין זרימה מיקרופלואידית.

התקנים מיקרופלואידיים הינם מפתח ליישומים רבים כגון חיישני מעבדה-על-שבב לאבחונים רפואיים וחיישני זרימה בעלות נמוכה, אך גודלם הקטן הופך את הנושאים של שאיבה אפקטיבית וערבוב נוזלים לאתגרים. ההתנהגות המכאנית בגיאומטריות בגודל של כמה מאות מיקרונים בודדים ופחות מזה עשויה להשתנות משמעותית ביחס להתנהגות ברמת המאקרו. זאת כיוון שבקנה מידה נמוך היחס בין אזור פני השטח של הנוזל לנפח שלו הוא הרבה יותר גבוה, וגורמים כגון מתח פנים, מעבר חום וצמיגות משחקים תפקיד חשוב יותר.
חוקרים במכללת SUNY לננו-מדע והנדסה (CNSE) באולבני, ניו-יורק, חוקרים את השימוש בגלים אקוסטיים על פני השטח (SAWs – surface acoustic waves) בהכללת זרימת נוזל כאפשרות להנעת נוזל. כיוון שקול נע במהירויות שונות בסובסטרטים ובנוזלים, נוצר פיזור בגל המשוגר אל תוך הנוזל בזווית. היחלשות עוצמת הלחץ של הגל גורמת לזרימה אקוסטית. במטרה לעצב התקנים כאלה בצורה יעילה, הבנת המאפיינים האקוסטיים בחומר פייזואלקטרי שנעשה בו שימוש בייצור SAWs הינו שלב ראשון קריטי.

תאימות גבוהה מאוד בין הסימולציה לניסוי
סימולציות התבצעו עבור נטיות חומר רבות בעזרת ®COMSOL Multiphysics, ונבדקו כנגד התקנים שנבנו ב- CNSE. “מצאנו הסכמה גבוהה בין הסימולציות שלנו והמדידות הניסוייות. הדבר עודד את השימוש הנרחב ב- ®COMSOL Multiphysics בתהליך התכנון שלנו וממש האיץ את ההבנה שלנו אודות הבעיה”, אומר פוטר.
“לדוגמא, רצינו לאשר שגלי שטח עם תזוזות אנכיות גדולות יותר יהיו בעלי מהירויות זרימה גבוהות יותר. בפועל, היה באפשרותנו להתאים את תוצאות הסימולציות למהירויות זרימה שנמדדו בניסויים. פיסות מידע כמו זו עוזרות לשפוך אור על היבטים של הבעיה ומובילות בסופו של דבר להחלטות תכנון מוחשיות”.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

®COMSOL Multiphysics סייעה בפיתוח של שתל שבלולי אקוסטי מיוחד הפותר בעיות שמיעה

החוקר הראשי בחברת Cochlear ltd מסכם: “יש בידינו היכולת לזנוח את הגישה גוזלת הזמן והיקרה של ניסוי וטעייה שבאמצעותה נהיה חייבים לבנות אבי טיפוס רבים כדי לקבוע את מימדי החלק המתאימים. אפילו בעזרת ההערכות שנעשו במודל, היה ביכולתנו לכוונן את המכשיר בהצלחה בתוכנה. על מנת להשיג חלקים לאבי הטיפוס נאלצה החברה לחבור לספקים מומחים אשר זמן האספקה שלהם הינו מספר שבועות. ללא תוכנת ®COMSOL, היה לוקח לנו חצי שנה בשביל לייצר רק חמישה אבי טיפוס, הווה אומר האטה קיצונית של תהליך הפיתוח”.

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL