Forscher beschreiben die Dynamik der Kavitation in weichem porösem Material

Eine winzige Blase, die in einer Flüssigkeit platzt, wirkt eher phantasievoll als traumatisch. Aber Millionen von platzenden Dampfblasen können starre Strukturen wie Bootspropeller oder Brückenstützen erheblich beschädigen. Können Sie sich vorstellen, welchen Schaden solche Blasen an weichem menschlichem Gewebe wie dem Gehirn anrichten könnten? Bei Kopfstößen und Gehirnerschütterungen bilden sich Dampfblasen und kollabieren heftig, wodurch menschliches Gewebe beschädigt wird. Strömungsmechanikforscher der Purdue University sind dem Verständnis dieser Phänomene nun einen Schritt näher gekommen.

„Wenn eine Blase in einer Flüssigkeit kollabiert, erzeugt sie Druckstoßwellen“, sagte Hector Gomez, Professor für Maschinenbau und Hauptforscher. „Der Prozess der Bildung eines Dampfhohlraums und seines Zusammenbruchs nennen wir Kavitation.“

„Kavitation wird seit dem 19. Jahrhundert untersucht“, sagte Pavlos Vlachos, St. Vincent Health Professor of Healthcare Engineering und Direktor des Regenstrief Center for Healthcare Engineering. „Es ist ein sehr komplexes Forschungsgebiet, weil es Nichtgleichgewichtsthermodynamik, Kontinuumsmechanik und viele andere Faktoren auf einer Skala von Mikrometern und Mikrosekunden umfasst. Nach Hunderten von Jahren der Forschung beginnen wir gerade erst, diese Phänomene zu verstehen.“

Noch weniger ist über Blasen bekannt, die in weichen porösen Materialien wie dem Gehirn oder anderen Körpergeweben kollabieren. Das ist von Bedeutung, denn das Verständnis, wie sich diese Blasen verhalten, könnte zu einem besseren Verständnis von Gehirnerschütterungen führen – oder sogar dazu verwendet werden, gezielt Medikamente im Körper zu verabreichen.

In neuen Forschungsergebnissen, die in der PNAS-NexusGomez, Vlachos und Mitarbeiter präsentierten die Entwicklung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Dynamik dieser Kavitationsblasen in einem deformierbaren porösen Medium.

Kavitation tritt im gesamten menschlichen Körper auf – zum Beispiel ist das Knacken Ihrer Knöchel das Geräusch von Blasen, die in der Synovialflüssigkeit Ihrer Gelenke platzen. Wenn die Flüssigkeiten im Körper Druckwellen ausgesetzt werden – beispielsweise wenn Fußballspieler einen Kopfaufprall erleiden – können sich in der das Gehirn umgebenden Flüssigkeit Blasen bilden. Und genau wie die Blasen, die Bootspropeller beschädigen, könnten Blasen, die in der Nähe des Gehirns platzen, dessen Weichgewebe beschädigen.

„Das menschliche Gehirn ist wie ein mit Wasser gefüllter matschiger Schwamm; es hat die Konsistenz von Gelatine“, sagte Vlachos. „Sein Material ist porös, heterogen und anisotrop, was ein viel komplexeres Szenario schafft. Unser derzeitiges Wissen über Kavitation lässt sich nicht direkt anwenden, wenn solche Phänomene im Körper auftreten.“

Gomez und Mitarbeiter entwickelten ein theoretisches und ein Rechenmodell, das zeigt, dass die Verformbarkeit eines porösen Materials den Kollaps und die Expansion von Kavitationsblasen verlangsamt. Dies bricht die klassische Skalierungsbeziehung zwischen Blasengröße und Zeit auf.

„Unser Modell bettet die Blasen in verformbare poröse Materialien ein“, sagte Yu Leng, der Erstautor der Arbeit und Postdoktorand, der mit Gomez zusammenarbeitet. „Dann können wir die Untersuchung von Kavitationsblasen in reiner Flüssigkeit auf Weichgewebe wie das menschliche Gehirn ausdehnen.“

Obwohl dieses Modell komplex ist, kann es auch auf eine gewöhnliche Differentialgleichung reduziert werden. „Vor hundert Jahren entwickelte Lord Rayleigh die Gleichung, die die Dynamik einer Blase in einer Flüssigkeit beschreibt“, sagte Gomez. „Wir konnten diese Gleichung erweitern, um zu beschreiben, wann das Medium poroelastisch ist. Es ist ziemlich erstaunlich, dass diese komplexe Physik immer noch zu einer einfachen und eleganten Gleichung führt.“

Gomez und Vlachos planen derzeit Experimente, um ihre Ergebnisse physikalisch zu validieren, aber sie schauen auch auf das große Ganze. „Eine potenzielle Anwendung ist die gezielte Verabreichung von Medikamenten“, sagte Gomez. „Nehmen wir an, Sie möchten ein Medikament direkt in einen Tumor verabreichen. Sie möchten nicht, dass sich dieses Medikament an anderer Stelle verteilt. Wir haben Verkapselungen gesehen, die das Medikament isoliert halten, bis es sein Ziel erreicht hat. Die Verkapselung kann durch Verwendung aufgebrochen werden Bläschen. Unsere Forschung liefert ein besseres Verständnis dafür, wie diese Bläschen im Körper kollabieren und zu einer effektiveren Arzneimittelabgabe führen können.“

„Ein weiteres Beispiel für zukünftige Möglichkeiten sind traumatische Hirnverletzungen“, sagte Leng. „Wir können diese Forschung erweitern, um die Auswirkungen eines unkontrollierten Kavitationskollaps auf das Gehirngewebe zu untersuchen, wenn Militärangehörige und Zivilisten Druckwellen ausgesetzt sind.“

Gomez und Vlachos sagen, dass sie begeistert sind, eine neue grundlegende Wissenschaft zum Verständnis der Blasendynamik in weichen porösen Materialien zu etablieren. „Dies eröffnet alle möglichen Möglichkeiten für zukünftige Forschung“, sagte Gomez, „und wir freuen uns darauf, wie wir und andere dieses Wissen in Zukunft nutzen werden.“