Physikalische Natur des Teilchentransports in elastisch-responsiven Hydrogelen: Ein- und Zweiteilchenmikrorheologie

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Metzler
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464628393

Entwicklungen moderner klinisch-diagnostischer Werkzeuge basieren auf derDiffusion von Pathogenen wie Virusen in Hydrogelen, in denen die Pathogenemit funktionalen Einheiten in Kontakt kommen und detektierbare optischeoder mechanische Signale erzeugen. In der Natur wird Gewebe effektiv vonbakterieller und viraler Invasion durch gelartige Mucusfilme geschuetzt,die fuer spezifische Pathogene fast undurchbringbar sind. Dieses Projektkombiniert extensive Simulationen mit analytischen Argumenten, um dieFrage zu beantworten, wie thermisch getriebene Testteilchen, die groesserals die typische Maschengroesse sind, in elastischen Netzwerken diffundieren.Insbesondere soll die Relation zwischen Testteilchengroesse und -form unddessen Mobilitaet im Gelnetzwerk untersucht werden und folgende Fragenbeantwortet werden: Was ist die maximalie Groesse von Testteilchen, diedas Gel immer noch durchdringen und darin diffundieren koennen? WelcheRolle spielt dabei die Teilchenform? Welche Korrelationen bestehen zwischendem sich bewegenden Testteilchen und dem es umgebenden Gel-Netzwerk? WelchenEinfluss hat raeumliche Unordnung des Gels auf die Testteilchenmobilitaet?Und schliesslich, welche Rolle spielt die Deformierbarkeit der Testteilchen,sprich bestehen merkliche Unterschiede zwischen Hard-core und Soft-coreTestteilchen? Analogen Fragen wird bezugs der korrelierten Bewegungzweier benachbarter Testteilchen im Gel nachgegangen, einer typischenAnordnung in der Zweiteilchenmikrorheologie. Die diffusiven Charakteristikader Testteilchen werden durch ensemble- und zeitgemittelte Testteilchenverschiebungen, den Parametern fuer Nichtgaussianitaet undNichtergodizitaet sowie den Korrelationen und Wahrscheinlichkeitsverteilungender Testteilchen analysiert. Die Resultate aus diesem Projekt sind wichtigfuer die Analyse mikrorheologischer Experimente und erlauben neuartigeEinblicke in die physico-chemischen Eigenschaften der Teilchendiffusionin heterogen strukturierten und elastisch-responsiven Umgebungen, wie siein lebenden Zellen, zellulaeren Verbaenden, in Mucusfilmen sowie in Gelenin klinischen diagnostischen Werkzeugen vorkommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen