Et bedre kig på, hvordan partikler bevæger sig

Hvis du tager en spand vandballoner og skubber en af ​​dem, naboballonerne vil også reagere. Dette er et opskaleret eksempel på, hvordan samlinger af celler og andre deformerbare partikelpakninger reagerer på kræfter. Modellering af dette fænomen med computersimuleringer kan kaste lys over spørgsmål om, hvordan kræftceller invaderer sundt væv, eller hvordan blade og blomster vokser. Men opførselen af ​​celleaggregater er ekstremt kompleks, og fuldt ud at fange deres struktur og dynamik har vist sig vanskeligt.

Et team af forskere i Corey O'Herns laboratorium, professor i maskinteknik og materialevidenskab, fysik, og anvendt fysik, har udviklet nye computersimuleringer af deformerbare partikler, der mere præcist modellerer deres kollektive adfærd. Undersøgelsen blev ledet af John Treado, en ph.d. studerende, og postdoc-forsker Dong Wang, begge i O'Hern laboratoriet. Den er for nylig udgivet i Materialer til fysisk gennemgang .

celler, bobler, dråber, og andre små partikler, der udgør bløde faste stoffer - som omfatter alt fra mayonnaise og barbercreme til celler og væv - er alle meget deformerbare. Der er betydelig variation i, hvordan de ændrer form, og hvordan de reagerer på kræfter.

"Der er en stærk sammenhæng mellem indsamlingen af ​​partiklers respons på påførte kræfter, partikel form, og deformerbarhed, " sagde Treado. "Partikeldeformerbarhed bestemmer, hvordan de vil bevæge sig, fordi de er komprimeret tæt med mange naboer, der klemmer dem på alle sider."

Konventionelle computermodeller repræsenterer typisk bløde partikler som kugler. Når kuglerne trykker mod hinanden, modellerne repræsenterer sfærernes deformationer ved at de overlapper hinanden. Denne tilgang virker til en vis grad, men afgørende information om partikelformer og interaktioner går tabt eller misrepræsenteret.

O'Hern-holdet, selvom, udviklet en computermodel, der kan tune partiklerne fra at være floppy, med evnen til nemt at ændre form, til at være fuldstændig stiv. Denne model behandler hver partikel som en ring af forbundne små kugler. I simuleringen, kræfter påføres de sfæriske perler, og modellen sporer, hvordan de tilsluttede perler ændrer position og orientering.

Forskerne fandt ud af, at det at tillade kollektive formændringer producerede materialeresponser, som de ikke ville have observeret med faste sfæriske former af partiklerne. Resultaterne understreger vigtigheden af ​​at inkorporere formvariabilitet i modeller af væv, skum, og andre bløde faste stoffer sammensat af deformerbare partikler.

"Vi skal nu udvide modellen til tre dimensioner, som i højere grad efterligner den virkelige verden, " sagde Wang. "Vi kan også anvende den deformerbare partikelmodel til aktive biologiske systemer, som kan danne sværme, skoler, og flokke."

Treado og Wang bruger også i øjeblikket denne nye computermodel til at studere, hvordan tumorceller invaderer fedtvæv i brystkræft. I de fleste kræftformer, tumorcellerne kan ændre deres form for at kravle gennem tæt væv, nå blodkar, og spredes til andre websteder.

"Vi søger nu at bestemme de fysiske grænser for tumorcellers deformerbarhed, og de kræfter, de skal udøve for at presse gennem et tæt væv, " sagde Treado. Deres arbejde kan føre til forbedringer i evnen til at forudsige, om kræftformer vil metastasere eller ej.