Mechanik von Biopolymer-Netzwerken mit Einschlüssen

• Antragsteller: Professor Dr. Abhinav Sharma, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525864799

Biologische Materialien weisen ein bemerkenswert ungewöhnliches mechanisches Verhalten auf. Ihre elastische Reaktion ist hochgradig nichtlinear und zeigt eine starke Zunahme der Steifigkeit mit der Dehnung. Diese nichtlineare Mechanik zeigt sich sowohl auf der intrazellulären Ebene der Zytoskelettfilamente, wie z. B. Aktin, als auch auf der größeren extrazellulären Ebene von Fibrinklümpchen und sogar ganzen Geweben (Mesenterium) und Organen (Blutgefäße, Haut). Die mechanische Reaktion von Biomaterialien wird durch die elastischen Eigenschaften der zugrunde liegenden Biopolymer-Netzwerke bestimmt. Räumlich ungeordnete, faserige Netzwerke sind in der Natur allgegenwärtig und bilden die Hauptbestandteile von lebenden Zellen und Geweben. Während beim Verständnis der nichtlinearen Mechanik auf der Ebene des Zytoskeletts innerhalb einer Zelle große Fortschritte erzielt wurden, gab es kein allgemein anerkanntes Modell für Kollagennetze und Gewebe. Erst kürzlich hat der Antragsteller einen neuen, auf der Theorie kritischer Phänomene basierenden Rahmen vorgeschlagen, der die nichtlineare Mechanik von Kollagennetzen beschreibt. Ungeordnete Netze werden starr, wenn sie ausreichend großen Verformungen ausgesetzt werden. Wir haben kürzlich gezeigt, dass die Entwicklung der Steifigkeit durch einen dehnungskontrollierten, kontinuierlichen Phasenübergang mit Anzeichen von Kritikalität gekennzeichnet ist. Wir haben auch gezeigt, dass die nichtlineare Mechanik von Kollagen-Typ-I-Netzwerken, die für die Integrität biologischer Gewebe von entscheidender Bedeutung sind, durch die Vorhersagen der Skalierungstheorie für das dehnungskontrollierte kritische Verhalten über einen breiten Bereich von Netzwerkkonzentrationen und Dehnungen bis hin zum Versagen des Materials quantitativ erfasst werden kann. Ein natürlicher nächster Schritt ist die Modellierung von Geweben durch Einbeziehung von Zellen in die extrazelluläre Matrix und die Untersuchung ihrer nichtlinearen Mechanik. Ziel dieses Antrags ist es, den Rahmen auf Gewebe zu erweitern, indem Zellen in die Biopolymer-Netzwerke einbezogen werden. Zellen könnten als zusätzliche interne mechanische Beschränkungen betrachtet werden. Wie wirken sie sich auf die nicht-affinen Verschiebungen aus? Zellen sind keine passiven Elemente; ihre Traktion beeinflusst die lokale Steifigkeit. Könnte man die von den Zellen erzeugten Spannungen als ein Auxiliaryfeld behandeln? Darüber hinaus passen die Zellen ihre Form und Zugkräfte als Reaktion auf die lokalen Spannungen aufgrund der extrazellulären Matrix an. Diese Rückkopplung zwischen Form und Spannungen wird wiederum die lokale Steifigkeit beeinflussen. Wie würde sich dies auf die makroskopische Mechanik der Matrix auswirken? Die vorgeschlagene Forschungsarbeit zielt darauf ab, diese Fragen durch die Erweiterung unseres kürzlich vorgeschlagenen Rahmens auf Modellgewebesysteme zu beantworten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Fred MacKintosh