En typ av skada i mjuka material och vävnader som kallas kavitation är ett av de minst studerade fenomenen inom fysiken, materialvetenskap och biologi, säger experter. Men starka bevis som tyder på att kavitation inträffar i hjärnan under plötslig påverkan som leder till traumatisk hjärnskada (TBI) har ökat intresset nyligen, säger materialforskaren Alfred Crosby vid University of Massachusetts Amherst och hans team.

Crosby är seniorförfattare till en ny "Perspectives"-tidning denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences . Forskarna har för avsikt att väcka ny diskussion och driva samarbete mellan nya samhällen av biologer, apotek, materialvetare, fysiker och andra för att föra fram kunskap. De definierar högt prioriterade mål och pekar ut nya möjligheter inom området för hur materia deformeras och flyter med kavitation.

Crosby säger, "Vi bryter ner barriärer som skiljer olika vetenskapliga områden åt för att stimulera framsteg i att förstå kavitation - hur det orsakar svårdiagnostiserade skador eller osynliga fel i mjuka material."

Han och Ph.D. studenterna Christopher Barney och Carey Dougan, medförsta författare till tidningen, arbetat med kemiingenjören Shelly Peyton, mekanisk ingenjör Jae-Hwang Lee och polymerforskaren Greg Tew vid UMass Amherst. Andra i "CAVITATE"-teamet är kemiingenjören Rob Riggleman vid University of Pennsylvania och maskiningenjören Shengqiang Cai vid University of California, San Diego. Stödet kommer från ett anslag på 2,6 miljoner dollar från U.S. Office of Naval Research.

"Medan kavitationsvärlden historiskt sett verkar vara ingenjörers och fysikers område, det finns växande möjligheter för syntetisk kemi att bidra till området, " säger författarna. "Kemigemenskapen kommer avsevärt att hjälpa både mekanik- och biologigemenskaperna att förstå de fysikaliska principerna för kavitation samt använda dem med fördel i kemiska reaktioner."

Studerat främst i vätskor i många år, kavitation är skapandet och kollapsen av bubblor i vätskor, Crosby förklarar. När bubblor kollapsar tvingar de in vätska i ett mindre område, orsakar en tryckvåg och ökad temperatur, som leder till skada. I en pump, kavitation kan erodera metalldelar med tiden, till exempel. Kavitation inuti konstgjorda hjärtklaffar kan skada inte bara delarna utan blodet, han säger. Mikrokavitation i hjärnan som ett resultat av kraftiga slag eller att vara nära en explosion är faktorer vid TBI.

Crosby säger att teamets perspektivpapper utforskar hur kavitation inte bara kan användas för att förebygga skador utan också hur man använder kavitation som ett unikt verktyg för att förstå mjuka vävnader. Till exempel, nya metoder använder kavitation för att studera hur egenskaper som styrka utvecklas i vävnader. Medförfattaren Barney säger att forskarna hoppas kunna stimulera ny forskning och utveckling inom medicin, kemi, biologi, mekanik och till nya användningsområden.

Crosby uppfann ett nytt experimentellt verktyg som kallas kavitationsreologi för att mäta de lokala mekaniska egenskaperna hos mjuk materia. Han säger, "Vi hoppas att detta kommer att leda till framsteg inom medicinsk utrustning för att diagnostisera sjukdom, nya anordningar för skyddsutrustning och nya hållbara metoder för rengöringsmaterial."

Medförstaförfattaren Dougan tillägger, "Medan kavitation ofta betraktas som något som bör undvikas, vi strävar efter att använda det för att gynna medicin och utveckling av nya behandlingar." kavitationsreologi kan användas för att mäta styrkan av gränssnitt i hjärnan, vilket är svårt att uppnå med någon annan metod, konstaterar hon. Specifikt för TBI, författarna beskriver tekniker för biologer för att etablera kavitationsreologi som ett verktyg för att karakterisera mekaniska svar från mjuka biologiska vävnader.