Un type de dommage dans les matériaux et tissus mous appelé cavitation est l'un des phénomènes les moins étudiés en physique, science et biologie des matériaux, disent les observateurs experts. Mais des preuves solides suggérant que la cavitation se produit dans le cerveau lors d'un impact soudain conduisant à une lésion cérébrale traumatique (TCC) ont récemment accéléré l'intérêt, disent le scientifique des matériaux Alfred Crosby de l'Université du Massachusetts Amherst et son équipe.

Crosby est l'auteur principal d'un nouvel article « Perspectives » cette semaine dans Actes de l'Académie nationale des sciences . Les chercheurs ont l'intention de susciter de nouvelles discussions et de stimuler la collaboration entre de nouvelles communautés de biologistes, chimistes, scientifiques des matériaux, physiciens et autres pour faire avancer les connaissances. Ils définissent des objectifs prioritaires et signalent de nouvelles opportunités dans le domaine de la déformation et de l'écoulement de la matière par cavitation.

Crosby dit, « Nous brisons les barrières qui séparent différents domaines scientifiques pour stimuler les progrès dans la compréhension de la cavitation – comment elle provoque des blessures difficiles à diagnostiquer ou des défaillances invisibles dans les matériaux mous. »

Lui et Ph.D. étudiants Christopher Barney et Carey Dougan, co-premiers auteurs de l'article, travaillé avec l'ingénieur chimiste Shelly Peyton, l'ingénieur en mécanique Jae-Hwang Lee et le scientifique des polymères Greg Tew à UMass Amherst. Les autres membres de l'équipe "CAVITATE" sont l'ingénieur chimiste Rob Riggleman à l'Université de Pennsylvanie et l'ingénieur mécanique Shengqiang Cai à l'Université de Californie, San Diego. Le soutien provient d'une subvention de 2,6 millions de dollars de l'Office of Naval Research des États-Unis.

"Alors que le monde de la cavitation semble être historiquement le royaume des ingénieurs et des physiciens, il y a de plus en plus d'opportunités pour la chimie de synthèse de contribuer au domaine, " déclarent les auteurs. " La communauté de la chimie aidera considérablement les communautés de la mécanique et de la biologie à comprendre les principes physiques de la cavitation et à les utiliser à bon escient dans les réactions chimiques. "

Etudié principalement dans les fluides depuis de nombreuses années, la cavitation est la création et l'effondrement de bulles dans les liquides, Crosby explique. Lorsque les bulles s'effondrent, elles forcent le liquide dans une zone plus petite, provoquant une onde de pression et une augmentation de la température, qui entraînent des dommages. Dans une pompe, la cavitation peut éroder les pièces métalliques au fil du temps, par exemple. La cavitation à l'intérieur des valves cardiaques artificielles peut endommager non seulement les pièces mais le sang, il dit. La microcavitation dans le cerveau à la suite de coups à fort impact ou à proximité d'une explosion sont des facteurs de TBI.

Crosby dit que le document de perspective de l'équipe explore comment la cavitation peut être utilisée non seulement pour prévenir les dommages, mais aussi comment utiliser la cavitation comme un outil unique pour comprendre les tissus mous. Par exemple, de nouvelles méthodes utilisent la cavitation pour étudier comment des propriétés telles que la résistance évoluent dans les tissus. Le co-premier auteur Barney dit que les chercheurs espèrent stimuler de nouvelles recherches et développements en médecine, chimie, la biologie, mécanique et à de nouveaux usages.

Crosby a inventé un nouvel outil expérimental appelé rhéologie de cavitation pour mesurer les propriétés mécaniques locales de la matière molle. Il dit, "Nous espérons que cela conduira à des avancées dans les dispositifs médicaux pour le diagnostic des maladies, de nouveaux dispositifs pour les équipements de protection et de nouvelles approches durables pour le nettoyage des matériaux."

Co-premier auteur Dougan ajoute, « Alors que la cavitation est souvent considérée comme quelque chose à éviter, nous visons à l'utiliser au profit de la médecine et du développement de nouveaux traitements." Par exemple, la rhéologie de cavitation peut être utilisée pour mesurer la force des interfaces dans le cerveau, ce qui est difficile à réaliser avec toute autre méthode, elle note. Spécifiquement pour TBI, les auteurs décrivent des techniques permettant aux biologistes d'établir la rhéologie de la cavitation comme outil de caractérisation des réponses mécaniques des tissus biologiques mous.