Hjernebobler:Forskere beskriver dynamikken ved kavitation i blødt porøst materiale

En lille boble, der springer i en væske, virker mere fantasifuld end traumatisk. Men millioner af springende dampbobler kan forårsage betydelig skade på stive strukturer som bådpropeller eller brostøtter. Kan du forestille dig, hvilken skade sådanne bobler kan gøre på blødt menneskeligt væv som hjernen? Under hovedstød og hjernerystelse dannes dampbobler og kollapser voldsomt, hvilket skaber skade på menneskeligt væv. Purdue Universitys væskemekaniske forskere er nu et skridt tættere på at forstå disse fænomener.

"Når en boble kollapser inde i en væske, genererer den trykstødbølger," sagde Hector Gomez, professor i maskinteknik og hovedforsker. "Processen med at danne et damphulrum og dets sammenbrud er det, vi kalder kavitation."

"Kavitation er blevet undersøgt siden 1800-tallet," sagde Pavlos Vlachos, St. Vincent Health Professor i Healthcare Engineering og direktør for Regenstrief Center for Healthcare Engineering. "Det er et meget komplekst studieområde, fordi det involverer termodynamik uden ligevægt, kontinuummekanik og mange andre faktorer på en skala fra mikrometer og mikrosekunder. Efter hundreder af års forskning er vi først lige nu begyndt at forstå disse fænomener."

Endnu mindre er kendt om bobler, der kollapser i bløde porøse materialer, såsom hjernen eller andet kropsvæv. Det er vigtigt, fordi forståelse af, hvordan disse bobler opfører sig, kan føre til en bedre forståelse af hjernerystelse – eller endda bruges til at levere målrettet medicin inde i kroppen.

I ny forskning offentliggjort i PNAS Nexus , Gomez, Vlachos og samarbejdspartnere præsenterede udviklingen af ​​en matematisk model til at beskrive dynamikken i disse kavitationsbobler i et deformerbart porøst medium.

Kavitation forekommer i hele den menneskelige krop - for eksempel er det at knække dine knoer lyden af ​​bobler, der popper i leddenes ledvæske. Når væskerne inde i kroppen udsættes for trykbølger - som når fodboldspillere udholder hovedstød - kan der dannes bobler i væsken, der omgiver hjernen. Og ligesom boblerne, der beskadiger bådens propeller, kan bobler, der sprænger nær hjernen, beskadige dens bløde væv.

"Den menneskelige hjerne er som en vandfyldt squishy svamp; den har konsistensen af ​​gelatine," sagde Vlachos. "Dets materiale er porøst, heterogent og anisotropt, hvilket skaber et meget mere komplekst scenarie. Vores nuværende viden om kavitation gælder ikke ligetil, når sådanne fænomener opstår i kroppen."

Gomez og samarbejdspartnere udviklede en teoretisk og en beregningsmodel, der viser, at deformerbarheden af ​​et porøst materiale forsinker sammenbrud og udvidelse af kavitationsbobler. Dette nedbryder det klassiske skaleringsforhold mellem boblestørrelse og tid.

"Vores model indlejrer boblerne i deformerbare porøse materialer," sagde Yu Leng, den første forfatter af papiret og postdoc-forskningsmedarbejder, der arbejder med Gomez. "Så kan vi udvide studiet af kavitationsbobler i ren væske til blødt væv såsom den menneskelige hjerne."

Selvom den er kompleks, kan denne model også reduceres til en almindelig differentialligning. "For hundrede år siden udviklede Lord Rayleigh ligningen, der beskriver dynamikken i en boble i en væske," sagde Gomez. "Vi var i stand til at udvide den ligning til at beskrive, hvornår mediet er porelastisk. Det er ret fantastisk, at denne komplekse fysik stadig fører til en enkel og elegant ligning."

Gomez og Vlachos planlægger i øjeblikket eksperimenter for fysisk at validere deres resultater, men de ser også på det store billede. "En potentiel anvendelse er målrettet medicinafgivelse," sagde Gomez. "Lad os sige, at du vil levere et lægemiddel direkte ind i en tumor. Du ønsker ikke, at den medicin spredes andre steder. Vi har set indkapslinger, der holder lægemidlet i isolation, indtil det har nået sit mål. Indkapslingen kan brydes ved at bruge bobler. Vores forskning giver en bedre forståelse af, hvordan disse bobler kollapser i kroppen og kan føre til mere effektiv medicinlevering."

"Et andet eksempel på fremtidige muligheder er traumatisk hjerneskade," sagde Leng. "Vi kan udvide denne forskning til at studere virkningen af ​​ukontrolleret kavitationskollaps på hjernevæv, når militært personel og civile udsættes for eksplosionschokbølger."

Gomez og Vlachos siger, at de er begejstrede for at etablere ny grundlæggende videnskab til at forstå bobledynamik i bløde porøse materialer. "Dette åbner op for alle mulige muligheder for fremtidig forskning," sagde Gomez, "og vi ser frem til, hvordan vi og andre vil bruge denne viden i fremtiden." + Udforsk yderligere

Kavitationsbobler sprænger af rensekraft