Een nieuw rekenmodel ontwikkeld door onderzoekers van The City College of New York en Yale geeft een duidelijker beeld van de structuur en mechanica van zachte, vormveranderende cellen die een beter begrip zouden kunnen geven van de groei van kankergezwel, wond genezen, en embryonale ontwikkeling.

Mark D. Shattuck, hoogleraar natuurkunde aan het Benjamin Levich Institute van City College, en onderzoekers van Yale ontwikkelden het nieuwe efficiënte rekenmodel. Hiermee kunnen gesimuleerde deeltjes op realistische wijze van vorm veranderen terwijl het volume wordt behouden tijdens interacties met andere deeltjes. Hun resultaten verschijnen in de laatste editie van Fysieke beoordelingsbrieven .

Het ontwikkelen van computersimulaties van deeltjes, zoals zandkorrels en kogellagers, is eenvoudig omdat ze niet gemakkelijk van vorm veranderen. Hetzelfde doen voor cellen en andere vervormbare deeltjes is moeilijker, en de computermodellen die onderzoekers momenteel gebruiken, leggen niet nauwkeurig vast hoe zachte deeltjes vervormen.

Het rekenmodel ontwikkeld door Shattuck en hoofdonderzoeker van Yale, Corey O'Hern, volgt punten op de oppervlakken van veelhoekige cellen. Elk oppervlaktepunt beweegt onafhankelijk, in overeenstemming met zijn omgeving en naburige deeltjes, waardoor de vorm van het deeltje kan veranderen. Het is rekenkundig veeleisender dan de huidige simulaties, maar noodzakelijk om deeltjesvervorming correct te modelleren.

"We hebben nu een efficiënt en nauwkeurig rekenmodel om te onderzoeken hoe discrete, vervormbaar deeltjespak, " zei Shattuck. Het stelt onderzoekers ook in staat om cel-celinteracties gemakkelijk aan te passen, denk aan gerichte beweging, en kan worden gebruikt voor zowel 2D- als 3D-systemen.

Een onverwacht resultaat van het model laat zien dat vervormbare deeltjes meer dan 15% van een bol moeten afwijken om een ​​ruimte volledig te vullen.

"In ons nieuwe model als er geen externe druk op het systeem wordt uitgeoefend, de deeltjes zijn bolvormig, "O'Hern zei. "Naarmate de druk toeneemt, de deeltjes vervormen, het vergroten van de fractie van de ruimte die ze innemen. Wanneer de deeltjes de ruimte volledig vullen, ze zullen 15% vervormd zijn. Of het nu gaat om bubbels, druppels, of cellen, het is een universeel resultaat voor zachte, deeltjessystemen."

Onder andere toepassingen, deze technologie kan onderzoekers een nieuw hulpmiddel geven om te onderzoeken hoe kankertumoren uitzaaien. "We kunnen nu realistische modellen maken van de verpakking van cellen in tumoren met behulp van computersimulaties, en stel belangrijke vragen, zoals of een cel in een tumor van vorm moet veranderen om beter in staat te zijn om te bewegen en uiteindelijk de tumor te verlaten."