Dynamika płynów

Czy druk można mieć we krwi?

BADANIA NAD DRUKIEM ATRAMENTOWYM I ZASTOSOWANIAMI MEDYCZNYMI MAJĄ ZE SOBĄ WIELE WSPÓLNEGO. 

W ostatnich latach w całej Europie mnożą się kolejne programy badawcze łączące najnowsze osiągnięcia z obszaru medycyny i techniki. Korzyści z nich płynące mogą mieć wpływ na codzienne życie nas wszystkich.

Na Uniwersytecie w holenderskim mieście Twente badacze już od przeszło dwóch dekad pracują nad projektami z dziedziny dynamiki płynów, a wysnute z nich wnioski mają zastosowanie zarówno medyczne, jak i komercyjne. 

Mówiąc ogólnie, dynamika płynów to dziedzina nauki badająca jak przemieszczają się i zachowują płyny. Naukowcy zajmujący się tą dziedziną często działają na poziomie molekularnym, by zgłębić jak poszczególne płyny zachowują się w określonych warunkach. Wiedza ta może nie tylko pomóc nam lepiej zrozumieć otaczający nas świat, lecz także przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa oraz do istotnego postępu w medycynie. 

„Dynamika płynów jest nauką z pogranicza matematyki, fizyki i inżynierii”, mówi Roberto Verzicco, profesor z rzymskiego uniwersytetu Tor Vergata, który niedawno opublikował artykuł o dynamice przepływu w lewej komorze serca. „Wiele jej zawdzięczamy, ale najważniejsze osiągnięcia dotyczą mechaniki płynów w sercu. Choroby sercowo-naczyniowe są główną przyczyną zgonów na świecie, a prognozy na kolejne dwie dekady są szczególnie niepokojące ze względu na starzenie się populacji w krajach Zachodu. Jeśli nie zostaną wynalezione nowe zabiegi i metody leczenia, kosztów opieki medycznej nie uda się utrzymać na niezmienionym poziomie.”

A medical device for the measurement of hemodynamics (or blood flow) in patients.
Klasyczna dynamika płynów zajmuje się właściwościami i zachowaniem wody, tymczasem atrament, podobnie jak krew, jest cieczą o wiele bardziej złożoną

Duża część podejmowanych wysiłków w celu zrozumienia przepływu krwi w sercu opiera się na tak zwanej numerycznej czy obliczeniowej dynamice płynów (ang. Computational Fluid Dynamics, CFD). Pozwala ona naukowcom przewidywać przepływy płynów i ich interakcje z otaczającymi strukturami na podstawie cyfrowych symulacji. Te „modele obliczeniowe” przepływu krwi dostarczają okazji do przetestowania nowych rozwiązań technologicznych (np. sztucznych zastawek serca lub nowych technik chirurgicznych), bez potrzeby korzystania z drogiego sprzętu lub testów na zwierzętach. I to właśnie w tej przestrzeni symulacyjnej doszło do ciekawej synergii z dziedziną druku atramentowego. 

Firma Océ nawiązała współpracę z Uniwersytetem w Twente, aby móc dostarczać bardziej wydajne i konkurencyjne drukarki atramentowe. Herman Wijshoff, badacz z Océ-Technologies B.V. i profesor dynamiki płynów na Uniwersytecie w Eindhoven wyjaśnia: „Zaczęliśmy od uruchamiania drukarki, generowania fal ciśnienia, mechanizmów zakłócających, takich jak pęcherzyki powietrza czy cząsteczki kurzu. Następnie badaliśmy zachowanie kropel, gdy formują się na podłożu, a następnie zaczynają rozprzestrzeniać się i łączyć. Wszystkie te etapy stanowią obecnie podstawę naszych procesów i punkt wyjścia do postępowania z bardziej skomplikowanymi płynami.” Klasyczna dynamika płynów zajmuje się właściwościami i zachowaniem wody, tymczasem atrament, podobnie jak krew, jest cieczą o wiele bardziej złożoną. Podobieństwa między tymi dwiema cieczami ujawniły się, gdy do ich badania użyto tych samych narzędzi analitycznych.

„Do tworzenia symulacji przepływu atramentu wykorzystujemy zasadniczo te same narzędzia, które stosuje się w symulacjach przepływu krwi” – wyjaśnia Herman. „Również badając zachowanie atramentu na papierze, który jest skomplikowanym i porowatym materiałem, stosujemy narzędzia wykorzystywane do badania ludzkich kości. Kości również są skomplikowaną i porowatą strukturą, przez którą przepływa krew, a zależność pomiędzy strukturą kości i przepływem krwi tak naprawdę decyduje o tym, jak mocna jest kość. Podobne interakcje zachodzą pomiędzy atramentem a papierem, ze szczególnym uwzględnieniem zjawiska deformowania papieru. Słowem, badania nad drukiem atramentowym i zastosowaniami medycznymi mają ze sobą wiele wspólnego.”

Istotne jest działanie w partnerstwie, które może się opłacić także z punktu widzenia finansowania długotrwałych projektów, zwłaszcza gdy łączy się siły w sposób nieoczywisty, pomiędzy różnymi branżami, np. pomiędzy medycyną a chemią. Może to nie tylko poszerzyć zakres projektu, lecz również zabezpieczyć środki pozwalające na zwiększenie skali programu badawczego.

W praktyce oznacza to, że program Océ zatytułowany „Podstawowe wyzwania z zakresu dynamiki płynów w druku atramentowym”, który obecnie skupia 16 badaczy, znacząco zwiększy zasięg z chwilą, gdy wejdą oni w skład europejskich konsorcjów wraz z przynajmniej czterema innymi partnerami, w równym stopniu zainteresowanymi wynikami programu.

„Na moim uniwersytecie już teraz istnieją osobne, choć ściśle ze sobą współpracujące, wydziały tradycyjnej inżynierii mechanicznej i biomedycznej inżynierii mechanicznej,” mówi Herman. „W przyszłości nasze badania skupią się nad molekularnymi właściwościami materiałów i tym, jak cząsteczki wchodzą między sobą w interakcje. To jedno z głównych zagadnień programów badawczych na kolejnych kilka lat i to w tej dziedzinie spodziewamy się kolejnego istotnego przełomu.”

Również i badania w dziedzinie medycyny najwięcej mogą skorzystać na połączeniu sił z przemysłem w ramach projektów. Interdyscyplinarna współpraca w ramach projektów, które wydają się od siebie bardzo odległe i pozornie mające mało punktów stycznych, może przynieść wymierne korzyści dla nowych inicjatyw medycznych oraz biznesowych. Więcej na temat prac badawczych z dziedziny dynamiki płynów można przeczytać na stronie internetowej Océ.

Autor: Anna Shaw