Ultrasound contrast agents consist of gas-filled micrometer-sized bubbles that are injectedinto the blood stream. Ultrasound contrast agents are an invaluable tool for ultrasound imaging of the cardiac muscle and highly vascularized structures such as kidneys and the liver. The ability of gas-filled microbubbles to enhance contrast in ultrasound imaging comes from their increased scattering ability due to significantly lower compressibility compared to surrounding soft tissues.

The discovery of acoustic droplet vaporization, the phase-transition of liquid-filleddroplets into gas-filled microbubbles upon ultrasound exposure, has expanded the potential utility of ultrasound-mediated diagnostics and therapy to include applications such as gas embolization, histotripsy, and localized drug delivery. Multiple requirements are put onto both gas-filled microbubbles and phase-change contrast agents: they have to be non-toxic, acoustically active at clinically relevant pressure amplitudes, and their dynamic behavior has to be predictable to maximize the therapeutic or diagnostic effect while minimizing mechanical damage to surrounding healthy tissue. Novel designs of phase-change contrast agents that are able to undergo acoustic droplet vaporization could enable improved in vivo stability compared to conventional gas-filled ultrasound contrast agents.

Pickering emulsions, with solid particles used as stabilizing agents instead of surfactants, have an increased stability compared to conventional emulsions. Cellulose-based Pickering emulsions in particular have previously been investigated for biomedical applications. Cellulose is a suitable material in biomedical applications as it originates from renewable sources, is biocompatible, and the surface can be easily modified. To the author’s current knowledge, cellulose-based Pickering emulsions have not previously been investigated for ultrasound-mediated applications. It is necessary to know the mechanical and acoustic properties of novel formulations and their impact on biological cells for their translation into in vivo research and future clinical use.

In this thesis, the acoustic, mechanical, and biological properties of cellulose nanofiber(CNF)-shelled perfluoropentane (PFP) droplets, a type of Pickering emulsion, were investigated for ultrasound-mediated medical applications. Firstly, the current state-of-the-art and development of phase-change contrast agents, the mechanism behind acoustic droplet vaporization, and potential ultrasound-mediated medical applications were investigated. Secondly, a theoretical model that would describe and predict the acoustic response of CNF-shelled PFP droplets undergoing acoustic droplet vaporization was developed. Thirdly, the compressibility of CNF-shelled PFP droplets using an acoustophoretic setup was measured. Later, the effect of the geometry of the surrounding medium and acoustic parameters on the acoustic response of CNF-shelled PFP droplets was explored. Finally, the biocompatibility of CNF-shelled PFP droplets cells was investigated through a hemolysis assay and measurement of change in cell viability of breast cancer cells.

The CNF shell has a significant impact on the predicted resonance behavior and compressibility of CNF-shelled PFP droplets, as it has significantly larger bulk and Young’s modulus than previously reported shell materials. The predicted linear resonance behavior was in the upper range of medical ultrasound (5-8 MHz), making harmonic imaging at optimal conditions difficult. However, it was demonstrated that CNF-shelled PFP droplets could be imaged using a nonlinear ultrasound imaging sequence at a frequency regularly used in clinics. Thus, CNF-shelled PFP droplets were able to undergo acoustic droplet vaporization at clinically relevant conditions. The peak negative pressure of the incident acoustic wave had a significant impact on the acoustic response of CNF-shelled PFP droplets, as higher acoustic pressure amplitudes resulted in a more disruptive behavior. Finally, CNF-shelled PFP droplets did not influence the cell viability of breast cancer cells. This was true regardless of whether or not a non-encapsulated cytotoxic drug with a known impact on cell viability was present. In summary, the results of this work showed that CNF-shelled PFP droplets are biocompatible and acoustically active at clinically relevant conditions, which shows that cellulose-based Pickering emulsions have potential in ultrasound-mediated diagnostics and therapy.

Kontrastmedel för ultraljud består av gasfyllda mikrometerstora bubblor som injiceras in i blodomloppet. Kontrastmedel för ultraljud är ett ovärderligt verktyg för ultraljudsavbildning av hjärtmuskeln och starkt vaskulariserade strukturer som njurar och lever. De gasfyllda mikrobubblorna har en förmåga att förstärka kontrasten vid ultraljudsavbildning. Denna förmåga beror på mikrobubblornas ökade spridningsförmåga som i sin tur beror på deras betydligt lägre kompressibilitet jämfört med omgivande mjukavävnader.

Upptäckten av akustisk droppförångning, fasövergången av vätskefyllda droppar till gasfyllda mikrobubblor vid ultraljudsexponering, har utökat den potentiella användbarheten av ultraljudsmedierad diagnostik och terapi till att omfatta tillämpningar som gasembolisering, histotripsi och lokal läkemedelstillförsel. Flera krav ställs på både gasfyllda mikrobubblor och kontrastmedel med fasförändring: de måste vara giftfria, akustiskt aktiva vid kliniskt relevanta tryckamplituder och deras dynamiska beteende måste vara förutsägbart för att maximera den terapeutiska eller diagnostiska effekten samtidigt som mekanisk skada på omgivande frisk vävnad minimeras. Nya formuleringar av kontrastmedel som kan genomgå akustisk droppförångning skulle kunna möjliggöra förbättrad stabilitet in vivo jämfört med konventionella kontrastmedel i form av gasfyllda mikrobubblor.

Pickeringemulsioner, där fasta partiklar används som stabiliseringsmedel istället för tensider, har en ökad stabilitet jämfört med konventionella emulsioner. Särskilt cellulosabaserade Pickeringemulsioner har tidigare undersökts för biomedicinska tillämpningar. Cellulosa är ett lämpligt material för biomedicinska tillämpningar eftersom det kommer från förnybara källor, är biokompatibelt och ytan lätt kan modifieras. Såvitt författaren vet har cellulosabaserade Pickeringemulsioner inte tidigare undersökts för ultraljudsmedierade tillämpningar. Det är nödvändigt att känna till de mekaniska och akustiska egenskaperna hos nya formuleringar och deras inverkan på biologiska celler för att de ska kunna omsättas i forskning in vivo och framtida klinisk användning.

I den här avhandlingen undersöktes de akustiska, mekaniska och biologiska egenskaperna hos perfluorpentan (PFP)-droppar med ett cellulosananofiber (CNF)-skal, en typ av Pickeringemulsion, för ultraljudsmedierade medicinska tillämpningar. För det första undersöktes de senaste rönen inom utvecklingen av kontrastmedel med fasförändring, mekanismen bakom akustisk droppförångning och potentiella ultraljudsmedierade medicinska tillämpningar. För det andra utvecklades en teoretisk modell som skulle beskriva och förutsäga den akustiska responsen hos CNF-kapslade PFP-droppar som genomgår akustisk droppförångning. För det tredje mättes kompressibiliteten hos CNF-kapslade PFP-droppar med hjälp av akustofores. Senare undersöktes effekten av det omgivande mediets form och de akustiska parametrarna på den akustiska responsen hos CNF-kapslade PFP-droppar. Slutligen undersöktes biokompatibiliteten hos CNF-kapslade PFP-droppar genom ett hemolysstest och mätning av förändringar i bröstcancercellernas cellviabilitet.

CNF-skalet har en betydande inverkan på det förutspådda resonansbeteendet och kompressibiliteten hos CNF-kapslade PFP-droppar. Detta beror på att CNF har betydligt större tryck- och elasticitetsmodul än tidigare rapporterade skalmaterial. Det förutspådda linjära resonansbeteendet låg i det övre området för medicinskt ultraljud (5-8 MHz), vilket försvårar harmonisk avbildning under optimala förhållanden. Det visades dock att CNF-kapslade PFP-droppar kunde avbildas med hjälp av en icke-linjär ultraljudsavbildningssekvens vid en frekvens som regelbundet används på kliniker. CNF-kapslade PFP-droppar kunde alltså genomgå akustisk droppförångning vid kliniskt relevanta förhållanden. Det högsta negativa trycket hos den akustiska vågen hade en betydande inverkan på den akustiska responsen hos CNF-kapslade PFP-droppar, eftersom högre akustiska tryckamplituder resulterade i ett mer splittrande beteende. Slutligen påverkade CNF-kapslade PFP-droppar inte bröstcancercellernas cellviabilitet. Detta gällde oavsett om ett icke inkapslat cytotoxiskt läkemedel med känd inverkan på cellernas viabilitet var närvarande eller inte. Sammanfattningsvis visade resultaten av detta arbete att CNF-kapslade PFP-droppar är biokompatibla och akustiskt aktiva vid kliniskt relevanta förhållanden, vilket visar att cellulosabaserade Pickeringemulsioner har potential inom ultraljudsmedierad diagnostik och terapi.