Modélisation de la vaporisation acoustique de gouttelettes micro- ou nano-métriques encapsulées par des coques hyperélastiques ou des tensio-actifs

Modeling acoustic vaporization of micro- or nano-metric encapsulated droplet within a hyperelastic shell or surfactants

• Auteur / Autrice : Thomas Lacour
• Direction : François Coulouvrat, Tony Valier-Brasier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 23/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel de Langre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Virginie Salsac, Olivier Couture, Corrado Maurini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michaël Baudoin, Philippe Marmottant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustique

Surfactants

Hyperélasticité

Évaporation

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules

Vaporisation

Rayleigh-Plesset

Hyperélasticité

Tensioactifs

Seuil

Nanoparticles

Vaporization

Rayleigh-Plesset

Hyperelasticity

Surfactants

Threshold

Résumé

Les particules nanométriques à cœur liquide présentent un fort intérêt pour l’imagerie médicale, l’embolothérapie ou la délivrance ciblée de médicaments. Elles permettent de réduire les effets secondaires et la résistance des tumeurs. Leurs fonctions thérapeutiques peuvent être activées mécaniquement à l’aide d’ultrasons focalisés entraînant un changement de phase du liquide interne : c’est le processus de vaporisation acoustique. Un modèle à quatre phases (vapeur+liquide+coque+milieu externe) est proposé pour décrire la dynamique de la vaporisation acoustique, couplant une généralisation de l’équation de Rayleigh-Plesset avec l’équation de la chaleur dans les phases denses. Une attention particulière est donnée à la modélisation des propriétés mécaniques de l’encapsulation et notamment à la prise en compte des grandes transformations engendrées par le changement de phase. Deux types d’encapsulation sont considérés : une coque viscoélastique (viscosité linéaire + hyperélasticité) et une membrane de tensioactifs (tension de surface dynamique). Différents régimes de vaporisation sont définis suivant que la dynamique de la bulle de vapeur présente ou non des rebonds. Ces régimes dépendent, pour un fluide donné (ici des nanogouttelettes de PerFluoroPentane dans de l’eau), de six paramètres clefs : deux paramètres acoustiques (amplitude et fréquence), deux paramètres géométriques (volume de vapeur et volume liquide) et deux paramètres mécaniques (constantes élastiques linéaire et non linéaire pour la coque hyperélastique ou tension de surface initiale et module élastique pour la tension de surface). Un seuil de vaporisation séparant ces différents régimes est alors proposé, dont la sensibilité aux paramètres précédemment cités est étudiée. L’existence d’un optimum d’excitation acoustique minimale en amplitude pour atteindre la vaporisation sans rebond est mise en évidence.

Nanodroplets have great, promising medical applications such as contrast imaging, embolotherapy or targeted drug delivery. Their functions can be mechanically activated by means of focused ultrasound inducing a phase change of the inner liquid known as acoustic droplet vaporization (ADV) process. In this context, a four-phases (vapor+liquid+surfactant layer+surrounding environment) model of ADV is proposed. Attention is especially devoted to the large but finite deformation expected after the complete vaporization of the inner liquid. Two kinds of encapsulation are considered: a viscoelastic shell (linear viscosity and hyperelasticity) and a surfactants membrane (dynamical surface tension). Various responses to ultrasound excitation are illustrated, depending on surfactant properties and acoustical excitation parameters. Different classes of ADV outcomes are exhibited within a phase diagram, and a relevant threshold ensuring complete vaporization is defined. The dependence of this threshold with acoustical, geometrical and mechanical parameters is also discussed. Finaly, an optimum point is highlighted in the context of medical applications.