Uma pequena bolha estourando dentro de um líquido parece mais fantasiosa do que traumática. Mas milhões de bolhas de vapor podem causar danos significativos a estruturas rígidas, como hélices de barcos ou suportes de pontes. Você pode imaginar o dano que essas bolhas podem causar a tecidos humanos macios como o cérebro? Durante os impactos e concussões na cabeça, bolhas de vapor se formam e colapsam violentamente, causando danos ao tecido humano. Pesquisadores de mecânica de fluidos da Universidade de Purdue estão agora um passo mais perto de entender esses fenômenos.
"Quando uma bolha colapsa dentro de um líquido, gera ondas de choque de pressão", disse Hector Gomez, professor de engenharia mecânica e investigador principal. "O processo de formação de uma cavidade de vapor e seu colapso é o que chamamos de cavitação."

"A cavitação tem sido estudada desde 1800", disse Pavlos Vlachos, professor de engenharia de saúde de St. Vincent e diretor do Centro Regenstrief de engenharia de saúde. "É um campo de estudo muito complexo porque envolve termodinâmica fora do equilíbrio, mecânica do contínuo e muitos outros fatores em uma escala de micrômetros e microssegundos. Após centenas de anos de pesquisa, só agora estamos começando a entender esses fenômenos."

Ainda menos se sabe sobre bolhas que colapsam em materiais porosos macios, como o cérebro ou outros tecidos do corpo. Isso é significativo, porque entender como essas bolhas se comportam pode levar a uma melhor compreensão das concussões – ou até mesmo ser usado para fornecer medicamentos direcionados dentro do corpo.

Em nova pesquisa publicada no PNAS Nexus , Gomez, Vlachos e colaboradores apresentaram o desenvolvimento de um modelo matemático para descrever a dinâmica dessas bolhas de cavitação em um meio poroso deformável.

A cavitação ocorre em todo o corpo humano – por exemplo, estalar os dedos é o som de bolhas estourando no líquido sinovial das articulações. Quando os fluidos dentro do corpo são submetidos a ondas de pressão – como quando jogadores de futebol sofrem impactos na cabeça – bolhas podem se formar no fluido ao redor do cérebro. E assim como as bolhas que danificam as hélices dos barcos, as bolhas que estouram perto do cérebro podem danificar seus tecidos moles.

"O cérebro humano é como uma esponja mole cheia de água; tem a consistência de gelatina", disse Vlachos. "Seu material é poroso, heterogêneo e anisotrópico, criando um cenário muito mais complexo. Nosso conhecimento atual sobre cavitação não se aplica diretamente quando tais fenômenos ocorrem no corpo."

Gomez e colaboradores desenvolveram um modelo teórico e computacional mostrando que a deformabilidade de um material poroso retarda o colapso e a expansão das bolhas de cavitação. Isso quebra a relação de escala clássica entre o tamanho da bolha e o tempo.

"Nosso modelo incorpora as bolhas em materiais porosos deformáveis", disse Yu Leng, o primeiro autor do artigo e associado de pesquisa de pós-doutorado que trabalha com Gomez. "Então podemos estender o estudo de bolhas de cavitação em líquido puro para tecidos moles, como o cérebro humano."

Embora complexo, este modelo também pode ser reduzido a uma equação diferencial ordinária. "Cem anos atrás, Lord Rayleigh desenvolveu a equação que descreve a dinâmica de uma bolha em um fluido", disse Gomez. "Conseguimos aumentar essa equação para descrever quando o meio é poroelástico. É incrível que essa física complexa ainda leve a uma equação simples e elegante."

Gomez e Vlachos estão atualmente planejando experimentos para validar fisicamente seus resultados, mas também estão olhando para o quadro geral. "Uma aplicação potencial é a entrega de drogas direcionadas", disse Gomez. "Digamos que você queira entregar um medicamento diretamente em um tumor. Você não quer que esse medicamento se disperse em outro lugar. Vimos encapsulamentos que mantêm o medicamento isolado até atingir seu alvo. O encapsulamento pode ser quebrado usando Nossa pesquisa fornece uma melhor compreensão de como essas bolhas colapsam no corpo e podem levar a uma administração de drogas mais eficaz."

"Outro exemplo de possibilidades futuras é a lesão cerebral traumática", disse Leng. “Podemos estender esta pesquisa para estudar o impacto do colapso de cavitação descontrolado no tecido cerebral, quando militares e civis são expostos a ondas de choque”.

Gomez e Vlachos dizem que estão entusiasmados em estabelecer uma nova ciência fundamental para entender a dinâmica das bolhas em materiais porosos macios. "Isso abre todos os tipos de possibilidades para pesquisas futuras", disse Gomez, "e estamos ansiosos para saber como nós e outros usaremos esse conhecimento no futuro". + Explorar mais

Bolhas de cavitação estourando com poder de limpeza