模拟脑内受冲击时的气泡动力学,有望应用于脑震荡研究与给药优化

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美国普渡大学(Purdue University )流体力学研究团队研究了大脑在受到撞击、脑震荡的期间,其组织形成气泡并剧烈性地崩塌对于脑内组织造成的伤害,并提出了相关的数据模型,展示空化气泡于大脑组织的动力学。此研究于日前刊登于美国国家科学研究院院刊 Proceedings of the National Academies (PNAS) Nexus 中。

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气泡空化对人体造成可能损伤

当气泡于液体中崩塌时,会产生一压力冲击波,而从形成气腔至塌陷的过程名为空化(cavitation)。自 1800 年代以来,科学家对于自由流体中的空化气泡(cavitation bubbles)坍塌的型式十分着迷,因其在我们生活中无所不在,从海浪拍打沙滩至日常折手指关节,都与液体中气泡的生成与破裂有关。然而,此过程机制十分复杂,因其涉及物理学、工程学及生物学等多项领域,直至近期,此机制的研究才逐渐有些头绪。

空化气泡的现象遍布于人体当中,当体内液体受到一定的压力波冲击时,大脑周围的液体会产生气泡并破裂,进而损坏气泡周遭的脑组织。然而,在弹性或柔软多孔材料如大脑组织中的气泡坍塌的模式却仍尚未完全被了解,因此人体大脑在受到撞击或压力所导致组织内的气泡塌陷时,其气泡内预先储存的量能对于周遭组织有多大的伤害仍有待更多研究。

模拟大脑气泡空化所受之压力试验

研究团队领导人之一 Pavlos Vlachos 教授讲解道:“人体大脑就有如充满水的软海绵,其质地为多孔的混合物,加上其存在于人体内,因此目前对于空化的知识无法直接适用于此。”

因此,研究团队模拟将气泡镶嵌入可塑型的多孔材料中,成功开发出一模型。在经过研究后发现多孔材料的可塑性对于空化气泡的膨胀与塌陷有减缓的作用,打破了常见的气泡尺寸与塌陷时间的关联性。

填充著液态水(蓝色)与气泡(黄色)的球型弹性介质示意图,用以模拟当外部边界施与 Δp = p∞ – psat 压力时,导致内部气泡破裂而伴随着固体骨架(头骨)变形的情形。

此研究成果将对于创伤性脑损伤或脑震荡的预后有更进一步的了解;有趣的是,此研究成果也有望应用于人体内药物给予的优化,例如如何有效增加药物进入肿瘤等组织中的浓度,以更有效的运输标靶疗法。

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参考资料:
1. ​​https://rupress.org/jem/article/219/9/e20220391/213413/Augmenting-neurogenesis-rescues-memory-impairments?searchresult=1
2. https://today.uic.edu/uic-scientists-discover-method-for-restoring-memory-loss-from-alzheimers-disease

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