Gemas de ovo podem lançar luz sobre lesões cerebrais traumáticas, segundo estudo

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Um experimento de desaceleração rotacional com gema de ovo, usando um misturador de ovos e medindo a deformação da matéria mole, para encontrar possíveis respostas sobre concussões.

Um número crescente de jogadores profissionais de futebol foram diagnosticados com uma doença neurodegenerativa chamada encefalopatia traumática crônica (CTE), provavelmente o resultado de sofrer concussões repetidas ou trauma cerebral repetitivo semelhante ao longo de suas carreiras. Também é comum em outros esportes de alto contato, como boxe, Muay Thai, kickboxing e hóquei no gelo. Podemos encontrar pistas sobre a física subjacente ao estudar a deformação das gemas de ovo, de acordo com um novo papel publicado em The Physics of Fluids. Isso, por sua vez, pode um dia levar a melhor prevenção de tal trauma.

A gema submersa em clara de ovo líquida envolta em uma casca dura é um exemplo do que os físicos chamam de "matéria mole em um ambiente líquido". Outros exemplos incluem os glóbulos vermelhos que fluem através do nosso sistema circulatório e do nosso cérebro, rodeados pelo líquido cefalorraquidiano (CBR) dentro de um crânio duro. O quanto um tipo de matéria mole se deforma em resposta a impactos externos é uma característica fundamental, de acordo com o físico da Universidade Villanova Qianhong Wu e seus coautores neste último estudo. Eles citam os glóbulos vermelhos como exemplo. É a capacidade das células vermelhas do sangue de mudarem de forma sob estresse ("deformabilidade eritrocitária") que os permite espremer minúsculos capilares, por exemplo, e também ativa o baço para remover glóbulos vermelhos cujo tamanho, forma e deformabilidade geral foram muito alterados.

No caso de lesão cerebral traumática, ela está ligada ao quanto o cérebro se deforma em resposta ao impacto. A causa precisa da CTE ainda é uma questão de pesquisa contínua, mas a teoria prevalecente afirma que o trauma cerebral repetitivo pode danificar os vasos sanguíneos do cérebro, causando inflamação e o crescimento de aglomerados de uma proteína chamada Tau. Eventualmente, esses aglomerados se espalham por todo o cérebro, matando as células cerebrais. Aqueles que sofrem de CTE frequentemente apresentam perda de memória, depressão e, em casos graves, demência, entre outros sintomas.

Estudos anteriores mostraram que a deformação da matéria mole em um ambiente líquido ocorre em resposta a mudanças repentinas no campo de fluido, como fluxo de cisalhamento ou uma mudança repentina no caminho do fluxo. Wu et al. estavam interessados ​​no caso específico da matéria mole em um ambiente líquido que também é encerrado em um recipiente rígido – como a gema de um ovo, cercado por clara de ovo líquida, tudo envolto em uma casca. Eles se perguntaram se era possível quebrar a gema sem quebrar a casca, já que é o caso da maioria das concussões que o cérebro pode ser danificado sem quebrar o crânio.

Para responder a essa pergunta, Wu et al. configurar um experimento preliminar simples com um Golden Goose Egg Scrambler, um novo dispositivo de cozinha que permite aos usuários mexa um ovo bem na casca. A equipe de Wu aplicou forças rotacionais para embaralhar o ovo e ficou intrigada com a forma como a gema do ovo se deformou e quebrou enquanto a casca permanecia intacta. Isso os inspirou a conduzir experimentos adicionais para obter uma visão sobre a física de fluxo fundamental por trás do efeito.

Eles compraram ovos frescos em um supermercado local, removeram as gemas e as claras e os colocaram em um recipiente rígido transparente, para monitorar melhor a deformação registrando todo o processo com câmeras de alta velocidade. Eles construíram dois aparelhos separados. Um administrado denominado "impacto translacional" – ou seja, batendo no contêiner diretamente – por meio de um pequeno martelo caindo de um trilho guia vertical (ver Fig. 1A na galeria), com uma mola no fundo permitindo que o contêiner se mova verticalmente. Eles usaram um acelerômetro para medir a aceleração do contêiner.

Para a segunda configuração (ver Fig 1B na galeria), eles conectaram o contêiner a um motor elétrico para estudar dois tipos de impacto rotacional: impacto rotacional acelerado e impacto rotacional desacelerado (ou seja, quando o contido externo está acelerando ou diminuindo à medida que gira). Eles também retiraram as membranas que envolviam as gemas frescas e as suspenderam em placas de Petri cheias de água, para estudar melhor como essas membranas também respondem ao estresse.

Wu et al. ficaram um tanto surpresos ao descobrir que, no caso de impacto translacional, quase não havia deformação da gema. Em vez disso, todo o contêiner (e seu conteúdo) se movia como um único corpo rígido. No caso do impacto rotacional acelerado, a equipe descobriu que a gema começaria em uma forma esférica e então começaria a se esticar horizontalmente para formar um elipsóide. A gema poderia manter uma forma elipsóide estável por vários minutos se a velocidade angular fosse mantida constante.

Os resultados mais intrigantes ocorreram no caso de impacto rotacional desacelerado. Aqui, a gema começou a deformar significativamente quase imediatamente, expandindo horizontalmente e aumentando seu raio no centro – deformação suficiente para danificar severamente a gema sob estresse sustentado.

"Suspeitamos que o impacto rotacional, especialmente rotacional desacelerador, é mais prejudicial à matéria cerebral."

Para ter certeza de que isso não foi principalmente um efeito da gema como biomaterial, Wu et al. conduziu o mesmo experimento com cápsulas moles sintetizadas submersas em uma solução de lactato de cálcio, envolta por uma fina membrana de alginato de cálcio. Eles obtiveram resultados semelhantes, confirmando que "o mecanismo dominante que leva à deformação da matéria mole em um ambiente líquido é o resultado de forças mecânicas em vez de respostas biológicas", escreveram eles.

Com base nisso, "Suspeitamos que o impacto rotacional, especialmente rotacional desacelerado, é mais prejudicial à matéria cerebral", disse Wu, e essa força centrífuga provavelmente desempenha um papel crítico. "A grande deformação da matéria cerebral durante esse processo induz o estiramento dos neurônios e causa o dano." Isso poderia explicar por que um boxeador pode ser nocauteado por uma pancada forte no queixo. “Considerando que o queixo é o ponto mais distante do pescoço, bater no queixo pode causar a maior aceleração / desaceleração rotacional da cabeça”, concluíram os autores.

"O pensamento crítico, junto com experimentos simples dentro da cozinha, levou a uma série de estudos sistemáticos para examinar os mecanismos que causam a deformação da gema do ovo." Wu disse das implicações de suas descobertas. "Esperamos aplicar as lições aprendidas com o estudo da biomecânica do cérebro, bem como outros processos físicos que envolvem cápsulas moles em um ambiente líquido, como os glóbulos vermelhos."

DOI: Physics of Fluids, 2021. 10.1063 / 5.0035314 (Sobre DOIs)

Imagem da lista por Ji Lang / Qianhong Wu

Fonte: Ars Technica