World

Peneliti menggambarkan dinamika kavitasi pada material berpori lunak


Gelembung otak: Peneliti menggambarkan dinamika kavitasi dalam bahan berpori lembut

Skema media poroelastik berbentuk bola diisi dengan air cair (biru) dan uap air (kuning). Tekanan berlebih p = p pduduk diterapkan pada batas eksternal menghasilkan runtuhnya gelembung, yang disertai dengan deformasi kerangka padat. Kredit: PNAS Nexus (2022). DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac150

Gelembung kecil yang muncul di dalam cairan tampaknya lebih aneh daripada traumatis. Tetapi jutaan gelembung uap yang meletus dapat menyebabkan kerusakan signifikan pada struktur kaku seperti baling-baling kapal atau penyangga jembatan. Bisakah Anda bayangkan kerusakan yang bisa ditimbulkan gelembung seperti itu pada jaringan lunak manusia seperti otak? Selama benturan kepala dan gegar otak, gelembung uap terbentuk dan runtuh dengan keras, menciptakan kerusakan pada jaringan manusia. Peneliti mekanika fluida Universitas Purdue sekarang selangkah lebih dekat untuk memahami fenomena ini.

“Ketika gelembung runtuh di dalam cairan, itu menghasilkan gelombang kejut tekanan,” kata Hector Gomez, profesor teknik mesin dan peneliti utama. “Proses pembentukan rongga uap dan keruntuhannya adalah apa yang kita sebut kavitasi.”

“Kavitasi telah dipelajari sejak tahun 1800-an,” kata Pavlos Vlachos, Profesor Kesehatan Teknik Kesehatan St. Vincent dan direktur Pusat Regenstrief untuk Teknik Perawatan Kesehatan. “Ini adalah bidang studi yang sangat kompleks karena melibatkan termodinamika non-kesetimbangan, mekanika kontinum, dan banyak faktor lain dalam skala mikrometer dan mikrodetik. Setelah ratusan tahun penelitian, kami baru sekarang mulai memahami fenomena ini.”

Bahkan lebih sedikit yang diketahui tentang gelembung yang runtuh pada bahan berpori lunak, seperti otak atau jaringan tubuh lainnya. Itu penting, karena memahami bagaimana gelembung-gelembung itu berperilaku dapat mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang gegar otak — atau bahkan digunakan untuk memberikan obat yang ditargetkan di dalam tubuh.

Dalam penelitian baru yang diterbitkan di PNAS NexusGomez, Vlachos, dan kolaborator mempresentasikan pengembangan model matematika untuk menggambarkan dinamika gelembung kavitasi ini dalam media berpori yang dapat dideformasi.

Kavitasi terjadi di seluruh tubuh manusia—misalnya, meretakkan buku-buku jari Anda adalah suara gelembung yang meletus di cairan sinovial sendi Anda. Ketika cairan di dalam tubuh mengalami gelombang tekanan—seperti saat pemain sepak bola menahan benturan di kepala—gelembung dapat terbentuk di cairan yang mengelilingi otak. Dan seperti gelembung yang merusak baling-baling kapal, gelembung yang meledak di dekat otak dapat merusak jaringan lunaknya.

“Otak manusia seperti spons licin berisi air, konsistensinya seperti gelatin,” kata Vlachos. “Materinya berpori, heterogen, dan anisotropik, menciptakan skenario yang jauh lebih kompleks. Pengetahuan kami saat ini tentang kavitasi tidak berlaku langsung ketika fenomena seperti itu terjadi di dalam tubuh.”

Gomez dan kolaborator mengembangkan model teoritis dan komputasi yang menunjukkan bahwa deformabilitas bahan berpori memperlambat keruntuhan dan perluasan gelembung kavitasi. Ini memecah hubungan skala klasik antara ukuran gelembung dan waktu.

“Model kami menyematkan gelembung ke dalam bahan berpori yang dapat dideformasi,” kata Yu Leng, penulis pertama makalah dan rekan penelitian pascadoktoral yang bekerja dengan Gomez. “Kemudian kita dapat memperluas studi tentang gelembung kavitasi dalam cairan murni ke jaringan lunak seperti otak manusia.”

Meskipun kompleks, model ini juga dapat direduksi menjadi persamaan diferensial biasa. “Seratus tahun yang lalu, Lord Rayleigh mengembangkan persamaan yang menggambarkan dinamika gelembung dalam fluida,” kata Gomez. “Kami dapat menambahkan persamaan itu untuk menggambarkan kapan medium itu poroelastis. Sangat menakjubkan bahwa fisika kompleks ini masih mengarah pada persamaan yang sederhana dan elegan.”

Gomez dan Vlachos saat ini sedang merencanakan eksperimen untuk memvalidasi hasil mereka secara fisik, tetapi mereka juga melihat gambaran besarnya. “Salah satu aplikasi potensial adalah pengiriman obat yang ditargetkan,” kata Gomez. “Katakanlah Anda ingin memberikan obat langsung ke tumor. Anda tidak ingin obat itu menyebar ke tempat lain. Kami telah melihat enkapsulasi yang menyimpan obat dalam isolasi sampai mencapai targetnya. Enkapsulasi dapat dipecah dengan menggunakan penelitian kami memberikan pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana gelembung-gelembung ini runtuh di dalam tubuh dan dapat menghasilkan pengiriman obat yang lebih efektif.”

“Contoh lain dari kemungkinan masa depan adalah cedera otak traumatis,” kata Leng. “Kami dapat memperluas penelitian ini untuk mempelajari dampak keruntuhan kavitasi yang tidak terkendali pada jaringan otak, ketika personel militer dan warga sipil terkena gelombang kejut ledakan.”

Gomez dan Vlachos mengatakan mereka sangat senang untuk membangun ilmu dasar baru untuk memahami dinamika gelembung dalam bahan berpori lembut. “Ini membuka segala macam kemungkinan untuk penelitian di masa depan,” kata Gomez, “dan kami menantikan bagaimana kami dan orang lain akan menggunakan pengetahuan ini di masa depan.”


Gelembung kavitasi meledak dengan kekuatan pembersihan


Informasi lebih lanjut:
Yu Leng dkk, Kavitasi pada material berpori yang lembut, PNAS Nexus (2022). DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac150

Disediakan oleh Universitas Purdue

Kutipan: Gelembung otak: Peneliti mendeskripsikan dinamika kavitasi pada material berpori lunak (2022, 30 Agustus) diambil 31 Agustus 2022 dari

Dokumen ini tunduk pada hak cipta. Terlepas dari transaksi wajar apa pun untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.



Artikel ini pertama kali tayang di situs phys.org

Related Articles

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Back to top button