小泡沫出现在一个液体似乎比外伤更奇特的。但数以百万计的蒸汽泡沫破灭会刚性结构造成重大的伤害像船螺旋桨或支持的桥梁。你能想象这样的泡沫可能损害软人体组织大脑吗?在头的影响和脑震荡,蒸汽泡沫形成和剧烈崩溃,造成人体组织损伤。普渡大学流体力学研究人员现在更近一步了解这些现象。
“当泡沫液体内部崩溃,它产生冲击波的压力,”说赫克托耳戈麦斯教授机械工程首席研究员。“形成蒸汽腔的过程及其崩溃就是我们所说的空化。”
“空化研究自1800年代以来,“说帕瓦Vlachos,圣文森特健康医疗工程教授和主任Regenstrief医疗中心工程。“这是一个非常复杂的研究领域,因为它涉及到非平衡热力学,连续介质力学,和许多其他因素在微米和微秒。经过数百年的研究,现在我们才刚刚开始理解这些现象。”
更不了解泡沫崩溃软多孔材料,如大脑或其他身体组织。这是重要的,因为了解这些泡沫的行为可能会导致更好的理解脑震荡——甚至被用来提供有针对性的药物在体内。
在新发表的研究美国国家科学院院刊》(PNAS)关系,Vlachos戈麦斯和合作者的发展提出一个数学模型来描述这些空化气泡的动力学可变形多孔介质。
空化发生在整个人体——例如,破解你的指关节泡沫出现的声音在你的关节滑液。当身体内的液体受到压力波——比如当足球运动员承受的影响——在大脑周围的流体可能形成泡沫。就像破坏船螺旋桨的泡沫,泡沫破裂附近的大脑可能会损害其软组织。
“人类的大脑就像一个水湿软的海绵;Vlachos表示:“它有明胶的一致性。”其材料是多孔、异构和各向异性,创建一个更复杂的场景。我们当前的知识空化不适用这种现象发生时直接在体内。”
戈麦斯和合作者建立了一个理论和计算模型表明,多孔材料的可变形性降低空化泡沫的崩溃和扩张。这打破了经典的泡沫大小和时间之间的比例关系。
“泡沫模型嵌入到可变形多孔材料,”Yu说愣了,论文的第一作者,与戈麦斯博士后研究助理工作。“然后我们可以扩展研究纯液体的空化气泡软组织如人类的大脑”。
虽然复杂,这个模型也可以减少到一个普通的微分方程。“一百年前,瑞利勋爵发达方程描述了泡沫流体的动力学,”戈麦斯说。“我们能够扩大这个方程来描述多孔弹性介质时。很神奇的,这些复杂的物理还导致一个简单而优雅的方程。”
戈麦斯和Vlachos目前规划实验验证的结果,但是他们也在寻求大局。“一个潜在的靶向型药物应用程序”,戈麦斯说。“假设你想提供一种药物直接进入一个肿瘤。你不想要,药物分散在其他地方。我们看到封装,使药物隔离,直到达到目标。封装可以通过使用泡沫破碎。我们的研究提供了一个更好的理解这些泡沫崩溃的身体,会导致更有效的药物。”
“未来的另一个例子可能是创伤性脑损伤,“愣说。“我们可以扩展这个研究研究不受控制的空泡崩溃对脑组织的影响,当军人和平民接触爆炸冲击波。”
戈麦斯和Vlachos说他们很高兴建立新的基础科学理解泡沫动力学软多孔材料。“这为未来的研究开辟了各种各样的可能性,”戈麦斯说,“我们期待着我们和其他人将如何使用这些知识在未来。”
参考:愣Y, Vlachos页,Juanes R,戈麦斯h .空泡软多孔材料。PNAS的关系。2022:pgac150。doi:10.1093 / pnasnexus / pgac150
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