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di Tecnica & Medicina

113.  NUCLEAZIONE E BOLLE (Basic Decompression Theory and Application)

di Bruce R. Wienke ed. Best Publishing Company

DECOMPRESSION THEORY Bruce R. Wienke (*) Nuclear Weapons Technology/Simulation And Computing Applied And Computational Physics Division Los Alamos National Laboratory Los Alamos, New Mexico, 87545

Nucleazione e bolle

Nel contesto dei modelli a gas disciolti le soste di sicurezza e le velocità di risalita ridotte sono coerenti con la meccanica delle bolle, riducendo effettivamente il tasso di crescita delle bolle e l’accumulo della fase gassosa libera a causa della maggiore pressione effettiva presente al termine dell’immersione. Questo rappresenta un forte appoggio all’applicazione di queste tecniche.
Alcuni, inoltre, considerano soste di sicurezza, risalite a velocità ridotta e maggiori pressioni di desaturazione come una terapia coerente per le fasi gassose separate (libere), particolarmente in prossimità della superficie dove una ulteriore riduzione della pressione favorisce la crescita di volume.
Sia la teoria della nucleazione delle bolle che la pratica sperimentale ci dicono che in ogni data immersione (compressione – decompressione) le famiglie di micronuclei di dimensioni superiori ad una determinata dimensione critica (minima) vengono eccitate e spinte verso la formazione di bolle, quindi è necessario prestare attenzione, durante tutto il corso dell’immersione, allo sviluppo della fase libera.
Gli esperimenti ed i calcoli suggeriscono che soste brevi, poco profonde e velocità di risalita ridotte hanno effetto positivo sulla riduzione dell’accumulo della fase libera, riducendo al contempo il gas disciolto nei tessuti più veloci, e questo è importante per le immersioni più profonde. In ultima analisi le ragioni sono da ricercarsi nella meccanica delle bolle e nella nucleazione.

Meccanica della fase

Le pressioni interne delle bolle superano la pressione ambiente di quantitativi pari alle effettive tensioni superficiali delle bolle stesse. Per eliminare le bolle, o ridurne la crescita, si richiede un aumento della pressione ambiente non solo per ridurre le dimensioni, ma anche per spingere il gas fuori della bolla, per diffusione, e anche attraverso l’interfaccia tessuto-bolla. Quanto più breve è il tempo di eliminazione che si desidera tanto maggiore dovrà essere la pressione ambiente. Gli esperimenti condotti nelle gelatine sottoposte a decompressione, in particolare da Yount e Strass, Kunkle e Beckman, e collettivamente da Yount, Yeung e Gillary , sono stati chiarificatori ed hanno testimoniato la veridicità di questo fatto.

Equilibrio della pressione della bolla

La pressione totale del gas Pt, all’interno di una bolla d’aria equivale alla somma della pressione ambiente, P, più l’effettiva tensione superficiale, 2g/r, secondo l’equazione:

Quando il raggio è piccolo gli effetti della tensione superficiale sono grandi, mentre quando il raggio è grande gli effetti della tensione superficiale scompaiono.
La tensione superficiale effettiva è la differenza tra la tensione di Laplace (pellicola sottile) e la tensione della pellicola (surfactante).
I nuclei stabilizzati posseggono una tensione superficiale nulla (zero), così che il totale delle pressioni dei gas e le tensioni si equivalgono.
Quando i nuclei sono destabilizzati (bolle) qualsiasi gradiente compreso tra la fase gassosa libera e quella dissolta spingerà il sistema verso differenti configurazioni, cioè espansione o contrazioni, fin quando non si stabilisce un nuovo equilibrio.
Quanto più piccola è la bolla tanto minore è il tempo di dissoluzione. Le implicazioni legate all’immersione sono piuttosto chiare, in presenza di fasi libere anche asintomatiche l’aumento della pressione di desaturazione è prudente.
Con qualsiasi pressione il tempo richiesto per dissolvere una bolla di 250 micron di diametro è significativamente più breve di quello necessario a dissolvere bolle più grandi.
La ricompressione immediata, entro  5 minuti è un trattamento adeguato per bolle di diametro inferiore a 100 micron, e rappresenta la base della procedure di ricompressione di emergenza in acqua praticate da australiani e hawaiani.

Una bolla d’aria in equilibrio idrostatico crescerà o si contrarrà in base alla sua dimensione e a qualsiasi gradiente relativo tra la fase libera di fase interna alla bolla e del gas disciolto nel tessuto. I gradienti sono rivolti verso l’interno se le tensioni superano la pressione dei gas nella bolla, e all’esterno se la pressione della fase gassosa libera supera le tensioni. Un certo raggio critico , rc, separa espansione e contrazione per un dato insieme di pressioni. Il raggio critico dipende dalla tensione totale ρt, pressione ambiente, P, e tensione superficiale effettiva, g , dove la crescita si ha se r > rc e la contrazione se r <  rc. Nell’organismo alcuni micronuclei gassosi stabilizzati possono sempre essere eccitati a crescere da cambiamenti di pressione (compressione-decompressione).

Le bolle si sviluppano e crescono su scale dei tempi più estese rispetto alla stabilizzazione dei nuclei. Nondimeno la rapida dissoluzione delle bolle in gelatine sature sottoposte a decompressione rapida (e il corpo vero e proprio) richiedono una depressurizzazione immediata ed adeguata. Il tempo assoluto richiesto a dissolvere le bolle con una data sovrappressione è direttamente proporzionale alle dimensioni della bolla. E’ chiaro che quanto più la bolla è piccola tanto minore sarà il tempo richiesto a scioglierla con una data sovrappressione. Le bolle studiate da Kunkle e Beckman con questo esperimento  crebbero fino a circa 1 mm in 5 ore a partire da micronuclei stabilizzati. Questi esperimenti hanno fornito informazioni di vitale importanza, corroborando le teorie sulla nucleazione e sulla formazione di bolle in vitro.

Le bolle, instabili, possono crescere al di là dell’ordine dei micron, i nuclei gassosi che resistono al collasso grazie alle pareti elastiche costituite da molecole attive superficiali (surfactanti), o forse alla riduzione della tensione superficiale alle interfacce tissutali o nelle fessure.
Per schiacciarli sono necessarie pressioni ingenti (intorno alle 10 atm).
Teoricamente i micronuclei sono sufficientemente piccoli da passare attraverso i filtri polmonari, ma sufficientemente densi da non galleggiare verso la superficie del loro ambiente con il quale sono in equilibrio sia idrostatico (pressione) sia diffusionale (flusso di gas).
Quando i nuclei sono stabilizzati, e non attivati verso la crescita o la contrazione da variazioni esterne di pressione, la tensione della pellicola (surfactante) sbilancia sia la tensione di Lapalace (pellicola) sia qualsiasi aiuto meccanico dovuto al tessuto circostante. A questo punto la pressione e le tensioni di gas sono uguali, ma, nella decompressione, le tasche di innesco (seed = seme) sono circondate da gas disciolti a tensioni elevate e possono quindi crescere (bolle) quando il gas circostante diffonde dentro ad esse.
La velocità di crescita, o di contrazione, delle bolle è in dipendenza diretta dalla differenza tra tensione tissutale e pressione ambiente locale, in pratica dal gradiente di pressione della bolla, indicato con G.
In un certo istante si forma un volume critico di bolle (fase libera), e i sintomi di embolia divengono statisticamente più probabili.
Durante la compressione i micronuclei sono schiacciati a dimensioni ridotte (diverse per le varie famiglie di dimensioni) ed apparentemente si stabilizzano alla nuova dimensione. Le bolle vengono schiacciate anche all’aumento della pressione a causa della legge di Boyle e poi si stringono ulteriormente se il gas diffonde verso l’esterno. Via via che la bolla diviene più piccola è possibile che si stabilizzi di nuovo come micronucleo.
Durante la compressione-decompressione i nuclei gassosi possono crescere come bolle, in base alla loro effettiva tensione superficiale e al raggio della bolla. Al di sotto di un determinato raggio critico, riportato nella tabella seguente indicante i raggi di eccitazione dei micronuclei in funzione della pressione secondo il modello a permeabilità variabile (Variable Permeabilty Model – VPM), le bolle tendono a collassare su loro stesse, invece con raggi di equilibrio maggiori crescono mentre il gas diffonde verso il loro interno.
I nuclei stabilizzati evolvono in bolle instabili quando la loro tensione superficiale effettiva è maggiore di zero, o quando esiste un gradiente di diffusione sufficiente a spingere il gas dentro o fuori dal nucleo.
A livello del mare il raggio di eccitazione è prossimo a 0,8 micron, più piccolo cioè delle cellule viventi, che hanno dimensioni che partono da pochi micron.

Raggi di eccitazione dei micronuclei

La teoria della nucleazione è coerente con numerose osservazioni relative alla subacquea. I subacquei possono aumentare in modo significativo la tolleranza alla formazione delle bolle, e di conseguenza all’embolia, seguendo tre semplici tecniche, originariamente proposte da Walzer, Evans e Walzer, Albano e Griscuoli e riproposte da Yount, Kunkle e Beckman: 1) compiere una prima immersione profonda e breve (di schiacciamento) riducendo così i micronuclei a dimensioni minori e più sicure; 2) effettuare le immersioni successive a profondità progressivamente inferiori, in modo da immergersi entro i limiti di schiacciamento della prima immersione e minimizzando l’eccitazione dei micronuclei più piccoli; 3) fare immersioni frequenti (a giorni alterni) in modo da sfoltire il numero di micronuclei disponibili per formare le problematiche bolle.

Da qui è possibile sottolineare un concetto: se i siti di nucleazione sono estinti, ridotti di numero o poco disposti all’eccitazione, la formazione di bolle ed i rischi che ne conseguono saranno ridotti in misura proporzionale a questi eventi.
I tempi di rigenerazione dei micronuclei sono stimati in circa una settimana, sottolineando l’adattamento fisiologico al ripresentarsi di ambienti in pressione.
Le meccaniche di nucleazione, stabilizzazione e crescita delle bolle sono piuttosto complesse ed i meccanismi di stabilizzazione sono stati quantificati solo di recente.
I meccanismi che sottostanno alla creazione e alla generazione e che occorrono prima della stabilizzazione non sono ben compresi.
Alcune ipotesi comprendono i gas disciolti nei liquidi che beviamo, il drenaggio linfatico dai tessuti alle vene, la coalescenza da collisione, la turbolenza e la vorticosità del sangue, lo sforzo, lo stomaco e il sottile endotelio di interfaccia aria-sangue nei polmoni.
Una volta che si sono formati i micronuclei devono stabilizzarsi molto rapidamente con del materiale surfactante. Nel passaggio attraverso il filtro polmonare sopravvivono solo i nuclei di misura inferiore al micron. Ammesso che i nuclei persistano non è chiaro se popolano tutti i siti tissutali, ne se sono caratterizzati dalle medesime distribuzioni dimensionali.
Alcuni possono sostenere che i risultati ottenuti con le gelatine non siano rilevanti perché i fluidi biologici si formano e sono contenuti in un ambiente chiuso (il corpo), ma gli studi di Strass e di Yount confermano l’esistenza di micronuclei gassosi preformati nel siero del sangue e nell’albumina dell’uovo.
I nuclei sembrano essere pervasivamente presenti in tutti i tipi di fluidi.
Tralasciando i nuclei preformati altri metodi di formazione delle bolle sono sicuramente possibili. Uno dei meccanismi candidati è la cavitazione, prodotta da strappi o rapidi distanziamenti delle interfacce tissutali, così come lo è la frizione delle superfici (tribonucleazione).
Gli interstizi dei tessuti potrebbero formare o intrappolare delle fasi gassose creando un potenziale per un successivo rilascio.
La vorticosità del flusso sanguigno può creare piccole microbolle. La presenza di abbondanti microbolle, stabili o instabili, nella circolazione venosa avrebbe un impatto negativo sull’eliminazione del gas disciolto, anche tramite una possibile azione di impedimento polmonare o della rete arteriosa.
La presenza di bolle nella circolazione arteriosa può determinare un’embolia, l’intasamento da bolle dalla circolazione polmonare è ritenuto collegato al manifestarsi dei chokes, una grave forma di malattia da decompressione, mentre la malattia da decompressione cerebrale si ritiene dovuta alla presenza di emboli.
La presenza di microbolle nella circolazione venosa renderebbe asimmetrici l’assorbimento ed il rilascio del gas, con un ingresso più rapido dell’eliminazione. Sostituendosi al sangue le microbolle ridurrebbero l’area ed il volume disponibili per lo scambio di gas fra sangue e tessuti.

Surfactanti

Acqua, benzina, glicerina e olio da insalata sono chiaramente dei liquidi. Lo sciroppo per frittelle, gli impasti, l’albume, lo stucco morbido, la vernice, la colla e il sapone da piatti sono anch’essi liquidi, cioè scorrono se gli si applica una forza, ma sono al limite della classificazione scientifica per tutti gli altri aspetti. Nella risposta meccanica, ma in particolare nella viscosità, i componenti di quest’ultimo gruppo di differenziano gli uni dagli altri almeno quanto differiscono dai solidi. E la loro risposta varia col tempo. Lo sciroppo diventa appiccicoso quando secca, il sapone da piatti asciuga trasformandosi in leggeri fiocchi, lo stucco morbido scorre se messo su un piano inclinato, ma si frammenta se subisce un impatto improvviso, la colla è elastica e gommosa. Le sostanze di quest’ultimo elenco sono denominate fluidi strutturati, poiché devono le loro particolari ed inusuali caratteristiche a grandi strutture poliatomiche, molte volte più grandi di una molecola d’acqua. I fluidi che contengono delle strutture poliatomiche manifestano un’ampia varietà di risposte meccaniche e di auto-organizzazione.
I tessuti e i fluidi corporei ospitano una incalcolabile collezione di materiali organici ed inorganici, comprese molte sostanze biochimiche che appartengono alla categoria dei fluidi strutturati. Tra questi una classe di auto-assemblanti, chiamati surfactanti, è molto interessante e dotata di caratteristiche che possono stabilizzare le microbolle in vari stadi di sviluppo sbilanciando la tensione superficiale.
Un surfactante è un fluido strutturato di natura ambifilica, comprendente componenti che assumono disposizioni preferenziali alle interfacce aria-olio (non mescolabili).
Una molecola di surfactante usualmente consiste di un voluminoso ione alla testa ed uno ione di segno contrario alla coda.
Usualmente non possono esistere molecole isolate all’interno di un mezzo di un determinato genere; piuttosto le molecole si orientano in configurazioni dette micelle nelle quali le componenti di natura simile si raggruppano.Cioè la testa si trova immersa in una sostanza e la coda nell’altra. Le micelle di solito hanno diametri dell’ordine di 10^-3 micron e rendono le interfacce differenti da tutto ciò che può essere misurato dai singoli componenti.
Le interfacce tissutali lipidi-acqua rappresentano degli ambienti potenzialmente favorevoli ai surfactanti. In certe condizioni un surfactante può ridurre la tensione superficiale all’interfaccia, permettendo a quest’ultima di crescere e di avvolgersi su se stessa. Il risultato è un microfascio (microaccumulo) pieno di interfacce che si alternano, di struttura sferica per ridurre al minimo le esigenze energetiche dovute alla termodinamica. Nel microfascio possono essere raccolte numerose sostanze.
Se dei nuclei gassosi piccoli, ma normalmente molto più grandi di una micella, sono a contatto con le interfacce, o direttamente con il surfactante, può svilupparsi un micronucleo/microemulsione gassosa sferica, variabile in termini di dimensioni e di contenuto di surfactante. Questo insieme è stabile quando la tensione superficiale effettiva è zero, quando la pressione della pellicola di surfactante equilibra meccanicamente (Laplace)  la tensione superficiale.
Se la tensione superficiale effettiva del nucleo, g, non è zero l’insieme crescerà o si contrarrà fino al raggiungimento della stabilità oppure si scomporrà.
Nel caso delle microemulsioni di gas si ritiene che il surfactante rivesta soprattutto lo strato limite interno, con il gas libero contenuto all’interno.
La reale configurazione è probabilmente più complessa ma nei calcoli possiamo, per semplicità, utilizzare questa illustrazione della struttura.
I micronuclei stabilizzati dal surfactante teoricamente potrebbero destabilizzarsi durante i processi di compressione-decompressione dell’immersione, forse generando una crescita di bolle alimentata dalle elevate tensioni dei gas presenti nel mezzo circostante. Le microbolle possono rimanere localizzate alle interfacce ma, probabilmente, migrano.
Le origini dei nuclei gassosi originali, la composizione dei surfactanti e i siti tissutali devono ancora essere descritti.

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