En los momentos fugaces después de que un líquido se somete a un cambio repentino de presión, rápidamente se forman burbujas microscópicas y colapsan en un proceso conocido como cavitación. En sistemas mecánicos como las hélices, las ondas de choque y los chorros resultantes pueden causar un desgaste gradual, yen los sistemas biológicos, pueden destruir y distorsionar las células. En el cerebro humano, se cree que es una causa mecanicista de lesión cerebral traumática, o TBI, pero el fenómeno aún no se ha observado directamente en el tejido cerebral porque las burbujas aparecen y desaparecendentro de microsegundos.
Para comprender mejor la conexión entre la microcavitación y la lesión cerebral traumática, los investigadores de la Universidad de Brown han desarrollado un novedoso sistema de imágenes en 3-D que les permite filmar un millón de fotogramas por segundo, con una sola cámara en un solo microscopio, y finalmenteexplorar el daño a las neuronas en el laboratorio. Esto les permitirá observar si ocurren eventos de cavitación en los tejidos que rodean las neuronas y, de ser así, proporcionará un punto de partida para identificar los mecanismos de daño en muestras de tejido humano y animal.
"Todavía no sabemos cuál es el daño celular o tisular debido a la exposición primaria a la explosión, o el TBI de la explosión se ve realmente. Tampoco sabemos si se debe a la cavitación o no. Esto se debe en parte a que nosaber qué buscar en resonancia magnética, histologías, biopsias y escaneos e imágenes de muestras de tejido ", dijo Christian Franck, profesor asistente en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Brown.
Para abordar esto, Franck y sus colegas están tratando de comprender cómo la cavitación podría dañar las neuronas mediante el uso de un sistema de imágenes en 3D junto con una rejilla de difracción para examinar su morfología posterior a la exposición. Presentarán sus hallazgos recientes en el American PhysicalSociedad APS División de Fluid Dynamics DFD 68ª reunión, que se celebrará del 22 al 24 de noviembre en Boston, Massachusetts.
Los métodos actuales de correlación de imágenes tridimensionales generalmente implican hacer proyecciones estéreo de objetos, una función de mapeo geométrico que se utilizó para crear las primeras cartas celestes del mundo al proyectar una esfera en un plano, al capturar imágenes con dos o más cámaras.Sin embargo, según Franck, esta técnica no se traduce bien en observaciones tomadas con un microscopio, ya que el uso de múltiples cámaras conlleva una pérdida de resolución espacial. Su laboratorio se enfoca en desarrollar técnicas experimentales para resolver el movimiento de materiales en tres dimensiones.
Para capturar el movimiento tridimensional con una sola lente, los investigadores colocaron una rejilla de difracción frente a la cámara de imágenes en el microscopio. Luego utilizaron un láser infrarrojo pulsado de nanosegundos para producir burbujas de cavitación individuales dentro de un modelo neuralred hecha de colágeno e hidrogeles biomiméticos incrustados con neuronas, simulando así la acción de una red neuronal sometida a un aumento de presión negativa.
Cuando las imágenes del material deformado se encuentran con la rejilla de difracción, difractan en los primeros modos negativo, primero positivo y de orden cero. Esto efectivamente genera dos perspectivas del objeto, como si tuviera dos cámaras, sin sacrificar el espacioresolución.
"El mayor desafío para nosotros fue recombinar las múltiples perspectivas de rejilla en la misma ubicación física en la cámara", dijo Franck.
Para hacer esto, los investigadores asignaron espectralmente diferentes colores a las órdenes -1 y +1 que la cámara puede detectar. Como todas las órdenes de difracción se iluminan inicialmente con luz blanca, Franck y sus colegas pusieron un filtro rojo delante de dondela luz de orden -1 pasaría y un filtro azul frente a donde pasaría la luz + 1. La cámara luego los registra como colores RGB separados, lo que permite a los investigadores recombinarlos fácilmente, recreando así el campo de movimiento tridimensionala velocidades de cuadro lo suficientemente altas como para observar la cavitación.
"Esto es algo realmente emocionante para nosotros, y hasta donde sabemos, nunca se había hecho antes", dijo Franck.
Actualmente, el laboratorio de Franck es capaz de resolver los campos de movimiento hasta la escala de 10-100 nanómetros. El trabajo futuro para Franck y sus colegas incluye mejorar sus técnicas para observar las deformaciones del material en el nivel de un solo nanómetro utilizando técnicas de microscopía de súper resolución en 3-RE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por División de Dinámica de Fluidos de la American Physical Society . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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