Een type schade in zachte materialen en weefsel dat cavitatie wordt genoemd, is een van de minst bestudeerde verschijnselen in de natuurkunde. materiaalkunde en biologie, zeggen deskundige waarnemers. Maar sterk bewijs dat suggereert dat cavitatie optreedt in de hersenen tijdens een plotselinge impact die leidt tot traumatisch hersenletsel (TBI) heeft de laatste tijd de belangstelling versneld, zeggen materiaalwetenschapper Alfred Crosby van de University of Massachusetts Amherst en zijn team.

Crosby is de senior auteur van een nieuwe "Perspectives" paper deze week in Proceedings van de National Academy of Sciences . De onderzoekers zijn van plan om nieuwe discussies op gang te brengen en samenwerking te stimuleren tussen nieuwe gemeenschappen van biologen, chemici, materiaal wetenschappers, natuurkundigen en anderen om kennis te vergroten. Ze definiëren doelen met een hoge prioriteit en wijzen op nieuwe kansen op het gebied van hoe materie vervormt en stroomt met cavitatie.

Crosby zegt, "We doorbreken barrières die verschillende wetenschappelijke gebieden scheiden om vooruitgang te boeken bij het begrijpen van cavitatie - hoe het moeilijk te diagnosticeren verwondingen of ongezien falen in zachte materialen veroorzaakt."

Hij en Ph.D. studenten Christopher Barney en Carey Dougan, co-eerste auteurs van het papier, werkte met chemisch ingenieur Shelly Peyton, werktuigbouwkundig ingenieur Jae-Hwang Lee en polymeerwetenschapper Greg Tew bij UMass Amherst. Anderen in het "CAVITATE"-team zijn chemisch ingenieur Rob Riggleman aan de Universiteit van Pennsylvania en werktuigbouwkundig ingenieur Shengqiang Cai aan de Universiteit van Californië, San Diego. Ondersteuning komt van een subsidie ​​van $ 2,6 miljoen van het Amerikaanse Office of Naval Research.

"Hoewel de wereld van cavitatie historisch gezien het domein van ingenieurs en natuurkundigen lijkt te zijn, er zijn steeds meer mogelijkheden voor synthetische chemie om bij te dragen aan het veld, " de auteurs stellen. "De scheikundegemeenschap zal zowel de mechanica als de biologie aanzienlijk helpen bij het begrijpen van de fysieke principes van cavitatie en ze ook gebruiken om voordeel te hebben bij chemische reacties."

Jarenlang voornamelijk in vloeistoffen gestudeerd, cavitatie is het ontstaan ​​en ineenstorten van bellen in vloeistoffen, Crosby legt uit. Wanneer bellen instorten, dwingen ze vloeistof naar een kleiner gebied, veroorzaakt een drukgolf en verhoogde temperatuur, die tot schade leiden. Bij een pomp, cavitatie kan metalen onderdelen na verloop van tijd aantasten, bijvoorbeeld. Cavitatie in kunstmatige hartkleppen kan niet alleen de onderdelen maar ook het bloed beschadigen, hij zegt. Microcavitatie in de hersenen als gevolg van zware slagen of nabij een explosie zijn factoren bij TBI.

Crosby zegt dat het perspectiefdocument van het team onderzoekt hoe cavitatie niet alleen kan worden gebruikt om schade te voorkomen, maar ook hoe cavitatie kan worden gebruikt als een uniek hulpmiddel om zachte weefsels te begrijpen. Bijvoorbeeld, nieuwe methoden gebruiken cavitatie om te bestuderen hoe eigenschappen zoals sterkte in weefsels evolueren. Mede-eerste auteur Barney zegt dat de onderzoekers hopen nieuw onderzoek en ontwikkeling in de geneeskunde te stimuleren. scheikunde, biologie, mechanica en voor nieuwe toepassingen.

Crosby vond een nieuw experimenteel instrument uit genaamd cavitatiereologie voor het meten van de lokale mechanische eigenschappen van zachte materie. Hij zegt, "We hopen dat dit zal leiden tot vooruitgang in medische hulpmiddelen voor het diagnosticeren van ziekten, nieuwe apparaten voor beschermende uitrusting en nieuwe duurzame benaderingen voor reinigingsmaterialen."

Co-eerste auteur Dougan voegt toe, "Hoewel cavitatie vaak wordt gezien als iets dat vermeden moet worden, we willen het gebruiken ten voordele van de geneeskunde en de ontwikkeling van nieuwe behandelingen." cavitatiereologie kan worden gebruikt om de sterkte van interfaces in de hersenen te meten, wat met een andere methode moeilijk te bereiken is, merkt ze op. Speciaal voor TBI, de auteurs schetsen technieken voor biologen om cavitatiereologie vast te stellen als een hulpmiddel voor het karakteriseren van mechanische reacties van zachte biologische weefsels.