Una pequeña burbuja que explota dentro de un líquido parece más fantasiosa que traumática. Pero millones de burbujas de vapor que revientan pueden causar daños significativos a estructuras rígidas como hélices de barcos o soportes de puentes. ¿Te imaginas el daño que tales burbujas podrían causar a los tejidos humanos blandos como el cerebro? Durante los impactos en la cabeza y las conmociones cerebrales, se forman burbujas de vapor y colapsan violentamente, creando daños en el tejido humano. Los investigadores de mecánica de fluidos de la Universidad de Purdue ahora están un paso más cerca de comprender estos fenómenos.

"Cuando una burbuja colapsa dentro de un líquido, genera ondas de choque de presión", dijo Héctor Gómez, profesor de ingeniería mecánica e investigador principal. "El proceso de formación de una cavidad de vapor y su colapso es lo que llamamos cavitación".

"La cavitación se ha estudiado desde el siglo XIX", dijo Pavlos Vlachos, profesor de ingeniería sanitaria de St. Vincent Health y director del Centro Regenstrief de ingeniería sanitaria. "Es un campo de estudio muy complejo porque involucra termodinámica de no equilibrio, mecánica continua y muchos otros factores en una escala de micrómetros y microsegundos. Después de cientos de años de investigación, recién ahora estamos comenzando a comprender estos fenómenos".

Aún se sabe menos sobre las burbujas que colapsan en materiales porosos blandos, como el cerebro u otros tejidos corporales. Eso es importante, porque comprender cómo se comportan esas burbujas podría conducir a una mejor comprensión de las conmociones cerebrales, o incluso usarse para administrar medicamentos específicos dentro del cuerpo.

En una nueva investigación publicada en PNAS Nexus , Gomez, Vlachos y colaboradores presentaron el desarrollo de un modelo matemático para describir la dinámica de estas burbujas de cavitación en un medio poroso deformable.

La cavitación se produce en todo el cuerpo humano; por ejemplo, crujir los nudillos es el sonido de las burbujas que revientan en el líquido sinovial de las articulaciones. Cuando los fluidos dentro del cuerpo se someten a ondas de presión, como cuando los jugadores de fútbol sufren impactos en la cabeza, se pueden formar burbujas en el fluido que rodea el cerebro. Y al igual que las burbujas que dañan las hélices de los barcos, las burbujas que estallan cerca del cerebro pueden dañar sus tejidos blandos.

“El cerebro humano es como una esponja blanda llena de agua, tiene la consistencia de la gelatina”, dijo Vlachos. "Su material es poroso, heterogéneo y anisótropo, lo que crea un escenario mucho más complejo. Nuestro conocimiento actual sobre la cavitación no se aplica directamente cuando tales fenómenos ocurren en el cuerpo".

Gómez y sus colaboradores desarrollaron un modelo teórico y computacional que muestra que la deformabilidad de un material poroso ralentiza el colapso y la expansión de las burbujas de cavitación. Esto rompe la clásica relación de escala entre el tamaño de la burbuja y el tiempo.

"Nuestro modelo incrusta las burbujas en materiales porosos deformables", dijo Yu Leng, el primer autor del artículo e investigador asociado postdoctoral que trabaja con Gomez. "Entonces podemos extender el estudio de las burbujas de cavitación en líquido puro a tejidos blandos como el cerebro humano".

Si bien es complejo, este modelo también se puede reducir a una ecuación diferencial ordinaria. "Hace cien años, Lord Rayleigh desarrolló la ecuación que describe la dinámica de una burbuja en un fluido", dijo Gómez. "Pudimos aumentar esa ecuación para describir cuándo el medio es poroelástico. Es bastante sorprendente que esta física compleja aún conduzca a una ecuación simple y elegante".

Gomez y Vlachos actualmente están planeando experimentos para validar físicamente sus resultados, pero también están mirando el panorama general. "Una aplicación potencial es la administración dirigida de medicamentos", dijo Gómez. "Digamos que desea administrar un fármaco directamente en un tumor. No desea que el medicamento se disperse en otros lugares. Hemos visto encapsulaciones que mantienen el fármaco aislado hasta que alcanza su objetivo. La encapsulación se puede romper usando burbujas. Nuestra investigación proporciona una mejor comprensión de cómo estas burbujas colapsan en el cuerpo y pueden conducir a una administración de fármacos más efectiva".

"Otro ejemplo de posibilidades futuras es la lesión cerebral traumática", dijo Leng. "Podemos ampliar esta investigación para estudiar el impacto del colapso por cavitación incontrolada en el tejido cerebral, cuando el personal militar y los civiles están expuestos a ondas de choque".

Gómez y Vlachos dicen que están encantados de establecer una nueva ciencia fundamental para comprender la dinámica de las burbujas en materiales porosos blandos. "Esto abre todo tipo de posibilidades para futuras investigaciones", dijo Gómez, "y esperamos ver cómo nosotros y otros utilizaremos este conocimiento en el futuro". + Explora más

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