واشنگتن: حباب کوچکی که در یک مایع ظاهر می شود، بیشتر خیالی به نظر می رسد تا آسیب زا. اما میلیون‌ها حباب بخار می‌توانند به سازه‌های سفت و سخت مانند پروانه‌های قایق یا تکیه‌گاه‌های پل آسیب جدی وارد کنند. آیا می توانید تصور کنید که چنین حباب هایی می توانند چه آسیبی به بافت های نرم انسان مانند مغز وارد کنند؟ در هنگام ضربه‌های سر و ضربه‌های مغزی، حباب‌های بخار تشکیل می‌شوند و به شدت فرو می‌روند و به بافت انسان آسیب می‌رسانند. محققان مکانیک سیالات اکنون یک قدم به درک این پدیده ها نزدیک شده اند.
هکتور گومز، پروفسور مهندسی مکانیک و محقق اصلی می گوید: «هنگامی که یک حباب در داخل یک مایع فرو می ریزد، امواج ضربه ای فشار ایجاد می کند. فرآیند تشکیل یک حفره بخار و فروپاشی آن چیزی است که ما آن را کاویتاسیون می نامیم.
پاولوس ولاچوس، پروفسور مهندسی بهداشت و درمان سنت وینسنت و مدیر مرکز مهندسی مراقبت های بهداشتی Regenstrief، گفت: “کاویتاسیون از دهه 1800 مورد مطالعه قرار گرفته است.” “این یک زمینه مطالعاتی بسیار پیچیده است زیرا شامل ترمودینامیک غیرتعادلی، مکانیک پیوسته و بسیاری از عوامل دیگر در مقیاس میکرومتر و میکروثانیه است. پس از صدها سال تحقیق، ما تازه در حال شروع به درک این پدیده ها هستیم.”
حتی کمتر در مورد حباب هایی که در مواد متخلخل نرم مانند مغز یا سایر بافت های بدن فرو می ریزند، شناخته شده است. این مهم است، زیرا درک نحوه رفتار آن حباب‌ها می‌تواند منجر به درک بهتر ضربه‌های مغزی شود – یا حتی برای رساندن داروهای هدفمند به داخل بدن استفاده شود.
در تحقیق جدیدی که در Proceedings of the National Academys (PNAS) Nexus منتشر شد، گومز، ولاچوس و همکارانش توسعه یک مدل ریاضی را برای توصیف دینامیک این حباب‌های کاویتاسیون در یک محیط متخلخل قابل تغییر شکل ارائه کردند.
کاویتاسیون در سرتاسر بدن انسان اتفاق می‌افتد – برای مثال، ترک خوردن بند انگشتان، صدای بیرون آمدن حباب‌ها در مایع سینوویال مفاصل است. هنگامی که مایعات داخل بدن در معرض امواج فشار قرار می گیرند – مانند زمانی که بازیکنان فوتبال ضربه سر را تحمل می کنند – حباب هایی در مایع اطراف مغز ایجاد می شود. و درست مانند حباب هایی که به پروانه های قایق آسیب می زند، حباب هایی که در نزدیکی مغز می ترکند می توانند به بافت نرم آن آسیب بزنند.
ولاچوس گفت: “مغز انسان مانند یک اسفنج پر از آب است که قوام ژلاتین را دارد.” “مواد آن متخلخل، ناهمگن و ناهمسانگرد است و سناریوی بسیار پیچیده‌تری را ایجاد می‌کند. دانش کنونی ما در مورد کاویتاسیون زمانی که چنین پدیده‌هایی در بدن اتفاق می‌افتد به‌راحتی کاربرد ندارد.”
گومز و همکارانش یک مدل نظری و محاسباتی ایجاد کردند که نشان می‌دهد تغییر شکل‌پذیری یک ماده متخلخل، فروپاشی و انبساط حباب‌های کاویتاسیون را کاهش می‌دهد. این رابطه مقیاس بندی کلاسیک بین اندازه حباب و زمان را از بین می برد.
یو لنگ، اولین نویسنده مقاله و همکار تحقیقاتی فوق دکترا که با گومز کار می کند، می گوید: «مدل ما حباب ها را در مواد متخلخل تغییر شکل پذیر جاسازی می کند. سپس می‌توانیم مطالعه حباب‌های کاویتاسیون در مایع خالص را به بافت‌های نرم مانند مغز انسان گسترش دهیم.
در حالی که این مدل پیچیده است، می توان این مدل را به یک معادله دیفرانسیل معمولی نیز تقلیل داد. گومز گفت: صد سال پیش، لرد ریلی معادله ای را ایجاد کرد که دینامیک یک حباب در یک سیال را توصیف می کند. “ما توانستیم این معادله را برای توصیف زمانی که محیط متخلخل است، تقویت کنیم. بسیار شگفت انگیز است که این فیزیک پیچیده هنوز به یک معادله ساده و ظریف منجر می شود.”
گومز و ولاچوس در حال حاضر در حال برنامه‌ریزی آزمایش‌هایی برای تایید فیزیکی نتایج خود هستند، اما آنها همچنین به دنبال تصویر بزرگ هستند. گومز گفت: «یک کاربرد بالقوه، تحویل هدفمند دارو است. فرض کنید می‌خواهید دارو را مستقیماً به یک تومور برسانید. شما نمی‌خواهید آن دارو در جای دیگری پراکنده شود. ما کپسوله‌هایی را دیده‌ایم که دارو را تا رسیدن به هدف خود در انزوا نگه می‌دارند. کپسولاسیون را می‌توان با استفاده از آن شکست. حباب‌ها. تحقیقات ما درک بهتری از چگونگی فروپاشی این حباب‌ها در بدن ارائه می‌کند و می‌تواند منجر به دارورسانی مؤثرتر شود.”
لنگ گفت: «یک مثال دیگر از احتمالات آینده، آسیب مغزی تروماتیک است. ما می‌توانیم این تحقیق را برای مطالعه تأثیر فروپاشی کاویتاسیون کنترل‌نشده بر بافت مغز، زمانی که پرسنل نظامی و غیرنظامیان در معرض امواج شوک انفجاری قرار می‌گیرند، گسترش دهیم.»
گومز و ولاچوس می گویند که از ایجاد علم پایه جدید برای درک دینامیک حباب در مواد متخلخل نرم بسیار هیجان زده هستند. گومز گفت: “این همه احتمالات را برای تحقیقات آینده باز می کند و ما مشتاقانه منتظریم که ما و دیگران چگونه از این دانش در آینده استفاده کنیم.”