Een piepklein belletje dat in een vloeistof knalt, lijkt meer fantasie dan traumatisch. Maar miljoenen knappende dampbellen kunnen aanzienlijke schade aanrichten aan starre constructies zoals scheepsschroeven of brugsteunen. Kun je je de schade voorstellen die dergelijke bellen kunnen aanrichten aan zachte menselijke weefsels zoals de hersenen? Tijdens hoofdstoten en hersenschuddingen vormen zich dampbellen die met geweld instorten, waardoor schade aan menselijk weefsel ontstaat. Purdue University vloeistofmechanica-onderzoekers zijn nu een stap dichter bij het begrijpen van deze verschijnselen.

"Wanneer een bel in een vloeistof instort, genereert deze drukschokgolven", zegt Hector Gomez, hoogleraar werktuigbouwkunde en hoofdonderzoeker. "Het proces van het vormen van een dampholte en het instorten daarvan is wat we cavitatie noemen."

"Cavitatie wordt al sinds de jaren 1800 bestudeerd", zegt Pavlos Vlachos, de St. Vincent Health Professor of Healthcare Engineering en directeur van het Regenstrief Center for Healthcare Engineering. "Het is een zeer complex vakgebied omdat het gaat om niet-evenwichtsthermodynamica, continuümmechanica en vele andere factoren op een schaal van micrometers en microseconden. Na honderden jaren onderzoek beginnen we deze verschijnselen nu pas te begrijpen."

Nog minder is bekend over bellen die instorten in zachte poreuze materialen, zoals de hersenen of andere lichaamsweefsels. Dat is belangrijk, want als je begrijpt hoe die bubbels zich gedragen, kan dit leiden tot een beter begrip van hersenschuddingen, of zelfs worden gebruikt om gerichte medicijnen in het lichaam af te geven.

In nieuw onderzoek gepubliceerd in de PNAS Nexus , Gomez, Vlachos en medewerkers presenteerden de ontwikkeling van een wiskundig model om de dynamiek van deze cavitatiebellen in een vervormbaar poreus medium te beschrijven.

Cavitatie komt voor in het hele menselijk lichaam - bijvoorbeeld, het kraken van je knokkels is het geluid van bellen die in de gewrichtsvloeistof van je gewrichten knallen. Wanneer de vloeistoffen in het lichaam worden blootgesteld aan drukgolven, zoals wanneer voetballers hoofdstoten ondergaan, kunnen zich bellen vormen in de vloeistof rond de hersenen. En net als de bellen die de propellers van een boot beschadigen, kunnen bellen die barsten in de buurt van de hersenen het zachte weefsel beschadigen.

"Het menselijk brein is als een met water gevulde squishy spons; het heeft de consistentie van gelatine", zei Vlachos. "Het materiaal is poreus, heterogeen en anisotroop, waardoor een veel complexer scenario ontstaat. Onze huidige kennis over cavitatie is niet direct van toepassing wanneer dergelijke verschijnselen zich voordoen in het lichaam."

Gomez en medewerkers ontwikkelden een theoretisch en een computationeel model dat aantoont dat de vervormbaarheid van een poreus materiaal de ineenstorting en uitzetting van cavitatiebellen vertraagt. Dit breekt de klassieke schaalrelatie tussen belgrootte en tijd af.

"Ons model integreert de bubbels in vervormbare poreuze materialen", zegt Yu Leng, de eerste auteur van de paper en postdoctoraal onderzoeksmedewerker die samenwerkt met Gomez. "Dan kunnen we de studie van cavitatiebellen in pure vloeistof uitbreiden naar zachte weefsels zoals het menselijk brein."

Hoewel complex, kan dit model ook worden teruggebracht tot een gewone differentiaalvergelijking. "Honderd jaar geleden ontwikkelde Lord Rayleigh de vergelijking die de dynamiek van een bel in een vloeistof beschrijft", zei Gomez. "We hebben die vergelijking kunnen uitbreiden om te beschrijven wanneer het medium poro-elastisch is. Het is best verbazingwekkend dat deze complexe fysica nog steeds tot een eenvoudige en elegante vergelijking leidt."

Gomez en Vlachos plannen momenteel experimenten om hun resultaten fysiek te valideren, maar ze kijken ook naar het grote geheel. "Een mogelijke toepassing is gerichte medicijnafgifte", zegt Gomez. "Stel dat je een medicijn rechtstreeks in een tumor wilt afleveren. Je wilt niet dat dat medicijn zich ergens anders verspreidt. We hebben inkapselingen gezien die het medicijn geïsoleerd houden totdat het zijn doel heeft bereikt. De inkapseling kan worden verbroken door bubbels. Ons onderzoek geeft een beter inzicht in hoe deze bubbels in het lichaam instorten en kunnen leiden tot een effectievere medicijnafgifte."

"Een ander voorbeeld van toekomstige mogelijkheden is traumatisch hersenletsel," zei Leng. "We kunnen dit onderzoek uitbreiden om de impact van ongecontroleerde cavitatie-instorting op hersenweefsel te bestuderen, wanneer militairen en burgers worden blootgesteld aan schokgolven."

Gomez en Vlachos zeggen enthousiast te zijn over het vestigen van nieuwe fundamentele wetenschap voor het begrijpen van bellendynamiek in zachte poreuze materialen. "Dit opent allerlei mogelijkheden voor toekomstig onderzoek," zei Gomez, "en we kijken uit naar hoe wij en anderen deze kennis in de toekomst zullen gebruiken." + Verder verkennen

Cavitatiebellen barsten van de reinigingskracht