Om du tar en hink med vattenballonger och knuffar en av dem, de närliggande ballongerna kommer också att svara. Detta är ett uppskalat exempel på hur samlingar av celler och andra deformerbara partikelpackningar reagerar på krafter. Att modellera detta fenomen med datorsimuleringar kan belysa frågor om hur cancerceller invaderar frisk vävnad eller hur löv och blommor växer. Men cellaggregatens beteende är extremt komplext, och att helt fånga deras struktur och dynamik har visat sig vara svårt.

Ett team av forskare i Corey O'Herns labb, professor i maskinteknik och materialvetenskap, fysik, och tillämpad fysik, har utvecklat nya datorsimuleringar av deformerbara partiklar som mer exakt modellerar deras kollektiva beteende. Studien leddes av John Treado, en Ph.D. studerande, och postdoktor Dong Wang, båda i O'Herns labb. Den publicerades nyligen i Material för fysisk granskning .

Celler, bubblor, droppar, och andra små partiklar som utgör mjuka fasta ämnen – som inkluderar allt från majonnäs och rakkräm till celler och vävnader – är alla mycket deformerbara. Det finns betydande variationer i hur de ändrar form, och hur de reagerar på krafter.

"Det finns ett starkt samband mellan insamlingen av partiklars svar på applicerade krafter, partikelform, och deformerbarhet, "Sade Treado. "Partikeldeformerbarhet avgör hur de ska röra sig, eftersom de är tätt komprimerade med många grannar som pressar dem på alla sidor."

Konventionella datormodeller representerar vanligtvis mjuka partiklar som sfärer. När sfärerna trycker mot varandra, modellerna representerar sfärernas deformationer genom att de överlappar varandra. Detta tillvägagångssätt fungerar till viss del, men viktig information om partikelformerna och interaktionerna går förlorade eller felaktigt framställda.

O'Hern-teamet, fastän, utvecklat en datormodell som kan ställa in partiklarna från att bli disketter, med förmågan att enkelt ändra form, att vara helt stel. Denna modell behandlar varje partikel som en ring av sammankopplade små sfärer. I simuleringen, krafter appliceras på de sfäriska pärlorna, och modellen spårar hur de anslutna pärlorna ändrar positioner och orienteringar.

Forskarna fann att att tillåta kollektiva formförändringar gav materialsvar som de inte skulle ha observerat med fasta sfäriska former av partiklarna. Resultaten understryker vikten av att införliva formvariationer i vävnadsmodeller, skum, och andra mjuka fasta ämnen som består av deformerbara partiklar.

"Vi behöver nu utöka modellen till tre dimensioner, som mer efterliknar den verkliga världen, " sa Wang. "Vi kan också tillämpa den deformerbara partikelmodellen på aktiva biologiska system, som kan bilda svärmar, skolor, och flockar."

Treado och Wang använder för närvarande också denna nya datormodell för att studera hur tumörceller invaderar fettvävnad vid bröstcancer. I de flesta cancerformer, tumörcellerna kan ändra sin form för att krypa genom tät vävnad, nå blodkärlen, och sprids till andra webbplatser.

"Vi försöker nu fastställa de fysiska gränserna för tumörcellers deformerbarhet, och krafterna som de måste utöva för att trycka igenom en tät vävnad, "Sade Treado. Deras arbete kan leda till förbättringar i förmågan att förutsäga om cancer kommer att spridas eller inte.