Raziskovalca Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani sta objavila članek, v katerem sta numerično raziskala kolaps kavitacijskega mikromehurčka v bližini bakterijske celice. Članek z naslovom Cavitation bubble interaction with compliant structures on a microscale: A contribution to the understanding of bacterial cell lysis by cavitation treatment sta asist. raz. Jure Zevnik in prof. dr. Matevž Dular objavila v reviji Ultrasonic Sonochemistry (IF: 7.491).
Številne študije kažejo, da lahko pojav kavitacije uspešno uporabimo za čiščenje vode in uničevanje bakterij. Vendar pa se večina relevantnih študij izvaja na makro merilu, zato je razumevanje procesov na temeljni ravni še vedno slabo. Z namenom nadaljnje razjasnitve postopka čiščenja vode s pomočjo kavitacije na nivoju enega samega mehurčka, dani prispevek numerično naslavlja interakcijo med kolapsirajočim mikromehurčkom in bližnjo deformabilno strukturo, ki mehansko in strukturno odraža lastnosti bakterijskih celic.
Shematski prikaz obravnavanega pojava – sprva stabilen mikromehurček (levo) v bližini prosto potopljene bakterijske celice (desno).
Uporabljena je metodologija interakcija fluid-struktura, pri kateri se upošteva stisljivi večfazni tok, bakterijska celična stena pa je modelirana kot večplastna lupinasta konstrukcija. Simulacije so bile izvedene za dve izbrani modelni strukturi, kjer vsaka odraža glavne mehanske značilnosti gramnegativnih in grampozitivnih bakterijskih ovojnic. Raziskan je bil vpliv dveh neodvisnih geometrijskih parametrov, in sicer razdalje med mehurčkom in celico δ in njunega razmerja velikosti ς. V obravnavanem prostoru parametrov δ- ς smo opazili in razločili med tremi značilnimi načini kolapsa mehurčkov, ki se gibljejo od razvoja šibkega curka stran od celice, do sferičnih kolapsov. V splošnem smo lahko identificirali štiri značilne načine prostorske in časovne incidence vršnih lokalnih napetosti v notranji celični membrani.
Konture tlačnega (zgoraj) in hitrostnega (spodaj) polja skupaj s časovnim potekom oblike mehurčka (levo) in bakterijske celice (desno) za izbrani primer J – razvoj šibkega curka stran od bakterijske celice: grampozitivni modelni organizem, ς = 1 in δ = 1.01.
Vršne vrednosti napetosti v notranji celični membrani tekom obravnavanega prostora parametrov δ- ς za (a) gramnegativni in (b) grampozitivni modelni organizem. Krepka polna črna označuje prag poracije notranje celične membrane pri 20 MPa.
Rezultati kažejo, da lahko lokalne napetosti, ki jih vzbudi kolaps mehurčka, presežejo prag poracije celičnih membran, in da je poškodbo bakterijskih celic mogoče razločiti izključno z mehanskimi učinki, v odsotnosti toplotnih in kemičnih. Na podlagi tega je bil ocenjen škodni potencial posameznega mehurčka za uničenje bakterij, pri čemer smo opazili dosledno višjo odpornost grampozitivnega modelnega organizma na kolaps bližnjega mehurčka. Mikroobtekanje je bilo opredeljeno kot primarni mehanski mehanizem poškodbe bakterijskih celic, ki se lahko v določenih primerih okrepi ob pojavu udarnih valov v času kolapsa mehurčka. Rezultati so bili diskutirani tudi z vidika uničevanja bakterij s pomočjo procesa hidrodinamske in ultrazvočne kavitacije na makro merilu.
Povezava do članka: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2022.106053
Ocenjene kritične brezdimenzijske razdalje med mehurčkom in bakterijo δ* (polna črna črta) za poracijo notranje celične membrane glede na razmerje velikosti mehurčka in bakterije ϛ. Območje, kjer je presežen prag poracije, je podano tako za gramnegativno (modro polnilo) kot za grampozitivno (oranžno polnilo) modelno celico.