En liten bubbla som poppar i en vätska verkar mer fantasifull än traumatisk. Men miljontals sprängande ångbubblor kan orsaka betydande skador på stela strukturer som båtpropellrar eller brostöd. Kan du föreställa dig vilken skada sådana bubblor kan göra på mjuka mänskliga vävnader som hjärnan? Under huvudstötar och hjärnskakning bildas ångbubblor som kollapsar våldsamt, vilket skapar skador på mänsklig vävnad. Purdue University vätskemekanikforskare är nu ett steg närmare att förstå dessa fenomen.

"När en bubbla kollapsar inuti en vätska genererar den tryckstötvågor", säger Hector Gomez, professor i maskinteknik och huvudforskare. "Processen att bilda en ångkavitet och dess kollaps är vad vi kallar kavitation."

"Kavitation har studerats sedan 1800-talet", säger Pavlos Vlachos, St. Vincent Health Professor of Healthcare Engineering och chef för Regenstrief Center for Healthcare Engineering. "Det är ett mycket komplext studieområde eftersom det involverar termodynamik som inte är jämvikt, kontinuummekanik och många andra faktorer på en skala av mikrometer och mikrosekunder. Efter hundratals år av forskning har vi först nu börjat förstå dessa fenomen."

Ännu mindre är känt om bubblor som kollapsar i mjuka porösa material, som hjärnan eller andra kroppsvävnader. Det är viktigt, för att förstå hur dessa bubblor beter sig kan leda till en bättre förståelse av hjärnskakning – eller till och med användas för att leverera riktade mediciner inuti kroppen.

I ny forskning publicerad i PNAS Nexus , Gomez, Vlachos och medarbetare presenterade utvecklingen av en matematisk modell för att beskriva dynamiken hos dessa kavitationsbubblor i ett deformerbart poröst medium.

Kavitation förekommer i hela människokroppen - att till exempel knäcka knogarna är ljudet av bubblor som poppar i ledernas ledvätska. När vätskorna inuti kroppen utsätts för tryckvågor - som när fotbollsspelare utsätts för huvudstötar - kan det bildas bubblor i vätskan som omger hjärnan. Och precis som bubblorna som skadar båtens propellrar, kan bubblor som spricker nära hjärnan skada dess mjuka vävnad.

"Den mänskliga hjärnan är som en vattenfylld squishy svamp; den har konsistensen av gelatin," sa Vlachos. "Dess material är poröst, heterogent och anisotropt, vilket skapar ett mycket mer komplext scenario. Vår nuvarande kunskap om kavitation gäller inte direkt när sådana fenomen uppstår i kroppen."

Gomez och medarbetare utvecklade en teoretisk och en beräkningsmodell som visar att deformerbarheten hos ett poröst material bromsar kollapsen och expansionen av kavitationsbubblor. Detta bryter ner den klassiska skalningsrelationen mellan bubbelstorlek och tid.

"Vår modell bäddar in bubblorna i deformerbara porösa material", säger Yu Leng, den första författaren till uppsatsen och postdoktor som arbetar med Gomez. "Då kan vi utöka studiet av kavitationsbubblor i ren vätska till mjukvävnader som den mänskliga hjärnan."

Även om den är komplex, kan denna modell också reduceras till en vanlig differentialekvation. "För hundra år sedan utvecklade Lord Rayleigh ekvationen som beskriver dynamiken hos en bubbla i en vätska", sa Gomez. "Vi kunde utöka den ekvationen för att beskriva när mediet är porelastiskt. Det är ganska fantastiskt att denna komplexa fysik fortfarande leder till en enkel och elegant ekvation."

Gomez och Vlachos planerar för närvarande experiment för att fysiskt validera sina resultat, men de ser också till helheten. "En potentiell tillämpning är riktad läkemedelsleverans", säger Gomez. "Låt oss säga att du vill leverera ett läkemedel direkt in i en tumör. Du vill inte att den medicinen ska spridas någon annanstans. Vi har sett inkapslingar som håller läkemedlet isolerat tills det har nått sitt mål. Inkapslingen kan brytas genom att använda bubblor. Vår forskning ger en bättre förståelse för hur dessa bubblor kollapsar i kroppen och kan leda till effektivare läkemedelstillförsel."

"Ett annat exempel på framtida möjligheter är traumatisk hjärnskada," sa Leng. "Vi kan utvidga den här forskningen till att studera effekten av okontrollerad kavitationskollaps på hjärnvävnad, när militär personal och civila utsätts för sprängchockvågor."

Gomez och Vlachos säger att de är glada över att etablera ny grundläggande vetenskap för att förstå bubbeldynamik i mjuka porösa material. "Detta öppnar upp alla möjliga möjligheter för framtida forskning," sa Gomez, "och vi ser fram emot hur vi och andra kommer att använda denna kunskap i framtiden." + Utforska vidare

Kavitationsbubblor spricker av rengöringskraft