Yenilikler

Araştırmacılar, yumuşak gözenekli malzemede kavitasyon dinamiklerini açıklıyor

Bir sıvının içinde patlayan küçük bir balon, travmatik olmaktan çok hayali görünüyor. Ancak patlayan milyonlarca buhar kabarcığı, tekne pervaneleri veya köprü destekleri gibi sert yapılarda önemli hasarlara neden olabilir. Bu baloncukların beyin gibi yumuşak insan dokularına verebileceği zararı hayal edebiliyor musunuz? Kafa darbeleri ve sarsıntılarda buhar kabarcıkları oluşur ve şiddetli bir şekilde çökerek insan dokusuna zarar verir. Purdue Üniversitesi akışkanlar mekaniği araştırmacıları artık bu fenomenleri anlamaya bir adım daha yaklaştı.

Makine mühendisliği profesörü ve baş araştırmacı Hector Gomez, “Bir sıvı içinde bir kabarcık çöktüğünde, basınç şok dalgaları üretir” dedi. “Bir buhar boşluğu oluşturma ve çökme süreci, kavitasyon dediğimiz şeydir.”

St. Vincent Sağlık Sağlık Mühendisliği Profesörü ve Regenstrief Sağlık Mühendisliği Merkezi direktörü Pavlos Vlachos, “Kavitasyon 1800’lerden beri çalışılmaktadır” dedi. “Bu çok karmaşık bir çalışma alanı çünkü denge dışı termodinamiği, sürekli ortam mekaniğini ve mikrometre ve mikrosaniye ölçeğinde diğer birçok faktörü içeriyor. Yüzlerce yıllık araştırmadan sonra, bu fenomenleri ancak şimdi anlamaya başlıyoruz.”

Beyin veya diğer vücut dokuları gibi yumuşak gözenekli malzemelerde çöken kabarcıklar hakkında daha da az şey bilinmektedir. Bu önemli, çünkü bu baloncukların nasıl davrandığını anlamak, sarsıntıların daha iyi anlaşılmasına yol açabilir – hatta hedeflenen ilaçları vücuda vermek için kullanılabilir.

Dergide yayınlanan yeni araştırmada Ulusal Akademiler (PNAS) Nexus BildirileriGomez, Vlachos ve işbirlikçileri, deforme olabilen gözenekli bir ortamda bu kavitasyon kabarcıklarının dinamiklerini tanımlamak için bir matematiksel modelin geliştirilmesini sundular.

Kavitasyon, insan vücudunun her yerinde meydana gelir – örneğin, eklemlerinizi çatlatmak, eklemlerinizin sinovyal sıvısında patlayan baloncukların sesidir. Vücudun içindeki sıvılar basınç dalgalarına maruz kaldığında – örneğin futbolcuların kafa darbelerine dayanması gibi – beyni çevreleyen sıvıda kabarcıklar oluşabilir. Ve tıpkı tekne pervanelerine zarar veren baloncuklar gibi, beynin yakınında patlayan baloncuklar da beynin yumuşak dokusuna zarar verebilir.

Vlachos, “İnsan beyni su dolu yumuşacık bir sünger gibidir; jelatin kıvamındadır” dedi. “Malzemesi gözenekli, heterojen ve anizotropiktir, çok daha karmaşık bir senaryo yaratır. Kavitasyon hakkındaki mevcut bilgimiz, vücutta bu tür olaylar meydana geldiğinde doğrudan uygulanmaz.”

Gomez ve işbirlikçileri, gözenekli bir malzemenin deforme olabilirliğinin kavitasyon kabarcıklarının çökmesini ve genişlemesini yavaşlattığını gösteren teorik ve hesaplamalı bir model geliştirdiler. Bu, kabarcık boyutu ve zaman arasındaki klasik ölçekleme ilişkisini bozar.

Makalenin ilk yazarı ve Gomez ile çalışan doktora sonrası araştırma görevlisi Yu Leng, “Modelimiz baloncukları deforme olabilen gözenekli malzemelere yerleştiriyor” dedi. “O zaman saf sıvıdaki kavitasyon baloncuklarının çalışmasını insan beyni gibi yumuşak dokulara kadar genişletebiliriz.”

Karmaşık olmakla birlikte, bu model aynı zamanda adi bir diferansiyel denkleme de indirgenebilir. Gomez, “Yüz yıl önce Lord Rayleigh, bir sıvıdaki balonun dinamiklerini tanımlayan denklemi geliştirdi” dedi. “Ortamın ne zaman poroelastik olduğunu açıklamak için bu denklemi artırabildik. Bu karmaşık fiziğin hala basit ve zarif bir denkleme yol açması oldukça şaşırtıcı.”

Gomez ve Vlachos şu anda sonuçlarını fiziksel olarak doğrulamak için deneyler planlıyorlar, ancak aynı zamanda büyük resme de bakıyorlar. Gomez, “Potansiyel bir uygulama hedeflenen ilaç dağıtımıdır” dedi. “Diyelim ki bir ilacı doğrudan bir tümöre vermek istiyorsunuz. O ilacın başka bir yere dağılmasını istemiyorsunuz. İlacın hedefine ulaşana kadar izole edilmesini sağlayan kapsüllemeler gördük. Kapsülleme kullanılarak kırılabilir. Araştırmamız, bu baloncukların vücutta nasıl çöktüğünü ve daha etkili ilaç dağıtımına nasıl yol açabileceğini daha iyi anlamamızı sağlıyor.”

Leng, “Gelecekteki olasılıkların bir başka örneği, travmatik beyin hasarıdır.” Dedi. “Bu araştırmayı, askeri personel ve siviller patlama şok dalgalarına maruz kaldığında, kontrolsüz kavitasyon çöküşünün beyin dokusu üzerindeki etkisini incelemek için genişletebiliriz.”

Gomez ve Vlachos, yumuşak gözenekli malzemelerde kabarcık dinamiklerini anlamak için yeni bir temel bilim kurmaktan heyecan duyduklarını söylüyorlar. Gomez, “Bu, gelecekteki araştırmalar için her türlü olasılığı açıyor ve biz ve başkalarının bu bilgiyi gelecekte nasıl kullanacağını dört gözle bekliyoruz” dedi.

Bu araştırma kısmen DEPSCoR programı (Ödül FA9550-20-1-0165), Ulusal Bilim Vakfı (Ödül 1805817) ve ABD Enerji Bakanlığı (Grant DE-SC0018357) kapsamında ABD Savunma Bakanlığı tarafından finanse edildi.

Kaynak ve İleri Okuma: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220830145200.htm

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu