Schema di un mezzo poroelastico sferico riempito con acqua liquida (blu) e vapore acqueo (giallo). Una sovrappressione ∆p =p∞ − psat viene applicato sul confine esterno producendo il collasso della bolla, che è accompagnato dalla deformazione dello scheletro solido. Credito:PNAS Nexus (2022). DOI:10.1093/pnasnexus/pgac150
Una piccola bolla che scoppia all'interno di un liquido sembra più fantasiosa che traumatica. Ma milioni di bolle di vapore che scoppiano possono causare danni significativi a strutture rigide come le eliche delle barche o i supporti dei ponti. Riesci a immaginare il danno che tali bolle potrebbero fare ai tessuti umani molli come il cervello? Durante gli urti alla testa e le commozioni cerebrali, si formano bolle di vapore che collassano violentemente, creando danni ai tessuti umani. I ricercatori di meccanica dei fluidi della Purdue University sono ora un passo più vicini alla comprensione di questi fenomeni.
"Quando una bolla collassa all'interno di un liquido, genera onde d'urto di pressione", ha affermato Hector Gomez, professore di ingegneria meccanica e ricercatore principale. "Il processo di formazione di una cavità di vapore e il suo collasso è ciò che chiamiamo cavitazione."
"La cavitazione è stata studiata sin dal 1800", ha affermato Pavlos Vlachos, professore di ingegneria sanitaria di St. Vincent e direttore del Regenstrief Center for Healthcare Engineering. "È un campo di studio molto complesso perché coinvolge la termodinamica di non equilibrio, la meccanica del continuo e molti altri fattori su una scala di micrometri e microsecondi. Dopo centinaia di anni di ricerca, stiamo iniziando solo ora a capire questi fenomeni".
Ancora meno si sa delle bolle che collassano in materiali morbidi e porosi, come il cervello o altri tessuti del corpo. Questo è significativo, perché capire come si comportano quelle bolle potrebbe portare a una migliore comprensione delle commozioni cerebrali o addirittura essere utilizzato per somministrare farmaci mirati all'interno del corpo.
In una nuova ricerca pubblicata su PNAS Nexus , Gomez, Vlachos e collaboratori hanno presentato lo sviluppo di un modello matematico per descrivere la dinamica di queste bolle di cavitazione in un mezzo poroso deformabile.
La cavitazione si verifica in tutto il corpo umano:ad esempio, scrocchiare le nocche è il suono delle bolle che scoppiano nel liquido sinoviale delle articolazioni. Quando i fluidi all'interno del corpo sono soggetti a onde di pressione, come quando i giocatori di football subiscono urti alla testa, potrebbero formarsi delle bolle nel fluido che circonda il cervello. E proprio come le bolle che danneggiano le eliche delle barche, le bolle che scoppiano vicino al cervello potrebbero danneggiarne i tessuti molli.
"Il cervello umano è come una spugna morbida piena d'acqua; ha la consistenza della gelatina", ha detto Vlachos. "Il suo materiale è poroso, eterogeneo e anisotropo, creando uno scenario molto più complesso. Le nostre attuali conoscenze sulla cavitazione non si applicano direttamente quando tali fenomeni si verificano nel corpo."
Gomez e collaboratori hanno sviluppato un modello teorico e uno computazionale che dimostrano che la deformabilità di un materiale poroso rallenta il collasso e l'espansione delle bolle di cavitazione. Questo scompone la classica relazione di ridimensionamento tra dimensione della bolla e tempo.
"Il nostro modello incorpora le bolle in materiali porosi deformabili", ha affermato Yu Leng, il primo autore del documento e associato di ricerca post-dottorato che lavora con Gomez. "Quindi possiamo estendere lo studio delle bolle di cavitazione nel liquido puro ai tessuti molli come il cervello umano".
Sebbene complesso, questo modello può anche essere ridotto a un'equazione differenziale ordinaria. "Cento anni fa, Lord Rayleigh sviluppò l'equazione che descrive la dinamica di una bolla in un fluido", ha detto Gomez. "Siamo stati in grado di aumentare quell'equazione per descrivere quando il mezzo è poroelastico. È piuttosto sorprendente che questa fisica complessa porti ancora a un'equazione semplice ed elegante."
Gomez e Vlachos stanno attualmente pianificando esperimenti per convalidare fisicamente i loro risultati, ma stanno anche guardando al quadro generale. "Una potenziale applicazione è la somministrazione mirata di farmaci", ha affermato Gomez. "Diciamo che vuoi somministrare un farmaco direttamente in un tumore. Non vuoi che il farmaco si disperda altrove. Abbiamo visto incapsulamenti che mantengono il farmaco in isolamento fino a quando non ha raggiunto il suo obiettivo. L'incapsulamento può essere rotto usando bolle. La nostra ricerca fornisce una migliore comprensione di come queste bolle collassano nel corpo e possono portare a una somministrazione di farmaci più efficace."
"Un altro esempio di possibilità future è la lesione cerebrale traumatica", ha detto Leng. "Possiamo estendere questa ricerca per studiare l'impatto del collasso incontrollato della cavitazione sul tessuto cerebrale, quando il personale militare e i civili sono esposti alle onde d'urto."
Gomez e Vlachos affermano di essere entusiasti di stabilire una nuova scienza fondamentale per comprendere la dinamica delle bolle nei materiali morbidi e porosi. "Questo apre ogni sorta di possibilità per la ricerca futura", ha detto Gomez, "e non vediamo l'ora di sapere come noi e altri utilizzeremo questa conoscenza in futuro". + Esplora ulteriormente
