Des chercheurs décrivent la dynamique de la cavitation dans un matériau poreux mou

Une petite bulle qui éclate dans un liquide semble plus fantaisiste que traumatisante. Mais des millions de bulles de vapeur qui éclatent peuvent causer des dommages importants aux structures rigides comme les hélices de bateau ou les supports de pont. Pouvez-vous imaginer les dommages que de telles bulles pourraient causer aux tissus humains mous comme le cerveau ? Lors d’impacts à la tête et de commotions cérébrales, des bulles de vapeur se forment et s’effondrent violemment, endommageant les tissus humains. Les chercheurs en mécanique des fluides de l’Université Purdue ont fait un pas de plus vers la compréhension de ces phénomènes.

« Lorsqu’une bulle s’effondre à l’intérieur d’un liquide, elle génère des ondes de choc de pression », a déclaré Hector Gomez, professeur de génie mécanique et chercheur principal. « Le processus de formation d’une cavité de vapeur et de son effondrement est ce que nous appelons la cavitation. »

« La cavitation est étudiée depuis les années 1800 », a déclaré Pavlos Vlachos, professeur d’ingénierie de la santé à Saint-Vincent et directeur du Regenstrief Center for Healthcare Engineering. « C’est un domaine d’étude très complexe car il implique la thermodynamique hors équilibre, la mécanique du continuum et de nombreux autres facteurs à l’échelle du micromètre et de la microseconde. Après des centaines d’années de recherche, nous commençons à peine à comprendre ces phénomènes. »

On en sait encore moins sur les bulles qui s’effondrent dans les matériaux poreux mous, tels que le cerveau ou d’autres tissus corporels. C’est important, car comprendre comment ces bulles se comportent pourrait conduire à une meilleure compréhension des commotions cérébrales, voire être utilisées pour administrer des médicaments ciblés à l’intérieur du corps.

Dans une nouvelle recherche publiée dans le Nexus PNASGomez, Vlachos et collaborateurs ont présenté le développement d’un modèle mathématique pour décrire la dynamique de ces bulles de cavitation dans un milieu poreux déformable.

La cavitation se produit dans tout le corps humain. Par exemple, le craquement de vos jointures est le son de bulles qui éclatent dans le liquide synovial de vos articulations. Lorsque les fluides à l’intérieur du corps sont soumis à des ondes de pression, comme lorsque les joueurs de football subissent des chocs à la tête, des bulles peuvent se former dans le fluide entourant le cerveau. Et tout comme les bulles qui endommagent les hélices des bateaux, les bulles qui éclatent près du cerveau pourraient endommager ses tissus mous.

« Le cerveau humain est comme une éponge spongieuse remplie d’eau; il a la consistance de la gélatine », a déclaré Vlachos. « Son matériau est poreux, hétérogène et anisotrope, créant un scénario beaucoup plus complexe. Nos connaissances actuelles sur la cavitation ne s’appliquent pas directement lorsque de tels phénomènes se produisent dans le corps. »

Gomez et ses collaborateurs ont développé un modèle théorique et informatique montrant que la déformabilité d’un matériau poreux ralentit l’effondrement et l’expansion des bulles de cavitation. Cela décompose la relation d’échelle classique entre la taille de la bulle et le temps.

« Notre modèle intègre les bulles dans des matériaux poreux déformables », a déclaré Yu Leng, premier auteur de l’article et associé de recherche postdoctoral travaillant avec Gomez. « Ensuite, nous pouvons étendre l’étude des bulles de cavitation dans un liquide pur aux tissus mous tels que le cerveau humain. »

Bien que complexe, ce modèle peut également être réduit à une équation différentielle ordinaire. « Il y a cent ans, Lord Rayleigh a développé l’équation qui décrit la dynamique d’une bulle dans un fluide », a déclaré Gomez. « Nous avons pu augmenter cette équation pour décrire quand le milieu est poroélastique. Il est assez étonnant que cette physique complexe conduise toujours à une équation simple et élégante. »

Gomez et Vlachos prévoient actuellement des expériences pour valider physiquement leurs résultats, mais ils envisagent également une vue d’ensemble. « Une application potentielle est l’administration ciblée de médicaments », a déclaré Gomez. « Disons que vous voulez administrer un médicament directement dans une tumeur. Vous ne voulez pas que ce médicament se disperse ailleurs. Nous avons vu des encapsulations qui maintiennent le médicament isolé jusqu’à ce qu’il atteigne sa cible. L’encapsulation peut être brisée en utilisant bulles. Notre recherche fournit une meilleure compréhension de la façon dont ces bulles s’effondrent dans le corps et peuvent conduire à une administration plus efficace des médicaments.

« Un autre exemple de possibilités futures est la lésion cérébrale traumatique », a déclaré Leng. « Nous pouvons étendre cette recherche pour étudier l’impact de l’effondrement incontrôlé de la cavitation sur le tissu cérébral, lorsque le personnel militaire et les civils sont exposés à des ondes de choc. »

Gomez et Vlachos se disent ravis d’établir une nouvelle science fondamentale pour comprendre la dynamique des bulles dans les matériaux poreux mous. « Cela ouvre toutes sortes de possibilités pour la recherche future », a déclaré Gomez, « et nous sommes impatients de voir comment nous et d’autres utiliserons ces connaissances à l’avenir. »