Cavitation and shock wave effects on biological systems

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Effekten der Kavitation und Stoßwellen in Systemen von biologischer oder medizinischer Relevanz. Der Schwerpunkt liegt dabei auf hochgeschwindigkeits-mikroskopischen Untersuchungen der Kavitationsblasendynamik nach Druckanregung und resultierender Auswirkungen auf Zellen. Hierzu zählen Zellschädigung, transiente Membranpermeabilisierung und die Ablösung adhärenter Zellen von einem Substrat.Im experimentellen Teil dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Blasenerzeugung und ihrer Anregung verwendet. In einem ersten Ansatz werden Mikroblasen in der Nähe fester Grenzflächen durch eine laserinduzierte Stoßwelle angeregt. Ein hochgeschwindigkeits-mikroskopischer Aufbau dient dabei zur Untersuchung der Einflüsse benachbarter Blasen und Grenzflächen auf das Schwingverhalten. Die Blasendynamik wird außerdem mit einem Keller-Miksis Modell numerisch berechnet und mit den experimentellen Radius-Zeit-Kurven verglichen. Des Weiteren wird die Auswirkung der Dynamik von Mikroblasen auf benachbarte Zellen in vitro untersucht. In diesem Fall werden die Blasen durch Ultraschallkontrastmittel erzeugt und mit der Druckwelle eines elektrischen Durchbruchs angeregt. Mikroskopische Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigen, dass selbst geringe Unterdruckamplituden von weniger als 1 MPa ausreichen, um die Blasen auf mehr als das 30 fache ihres Ursprungsradius aufzuziehen. Benachbarte Zellen können dabei im anschließenden Kollaps beschädigt werden. Die Blasendynamik während des ersten Oszillationszyklus lässt sich näherungsweise mit einem sphärischen Blasenmodell beschreiben.Das Zerstörungspotential von druckangeregten Blasen könnte auch zur Schädigung bei bestimmten Schussverletzungen beitragen. In diesem Zusammenhang wird die Wirkung von Hochgeschwindigkeitsprojektilen auf Gewebeersatzstoffe untersucht. Beim Einschlag des Projektils entsteht eine Stoßwelle, die sich im Medium ausbreitet. Durch Reflexion an freien Grenzflächen wandelt sich die Stoßwelle in eine Zugwelle um, welche eine Kavitationswolke in ihrem Nachlauf erzeugt. Die Kavitation ist vermutlich für Sekundärschädigungen abseits der primären Wundhöhle verantwortlich.Im letzten Experiment werden die Auswirkungen von Lithotripter-Stoßwellen auf adhärente Krebszellen in Kultur untersucht. Es zeigt sich, dass Zellmembranen durch die Wirkung von Kavitationsblasen permeabilisiert werden. Kavitation entsteht hierbei durch die Zugwelle im Nachlauf der fokussierten Stoßwelle des Lithotripters. Der anschließende Blasenkollaps erzeugt ein starkes Strömungsfeld, welches die Ablösung der Zellen vom Substrat und eine temporäre Permeabilisierung der Zellmembranen bzw. die Aufnahme extrazellulärer Moleküle ermöglicht.