Matematiska modeller av cellers rörelse i trögflytande vätskor som visar hur denna rörelse påverkas av närvaron av en ytaktiv beläggning har tillämpningar i designen av konstgjorda mikrosimmare för målinriktad läkemedelstillförsel, mikrokirurgi och andra tillämpningar.

Många typer av rörliga celler, såsom bakterierna i våra tarmar och spermier i de kvinnliga fortplantningsorganen, måste driva sig själva genom trånga utrymmen fyllda med trögflytande vätska. På senare år har rörelsen hos dessa mikrosimmare har efterliknats i designen av självgående maskiner i mikro- och nanoskala för tillämpningar inklusive riktad läkemedelsleverans. Att optimera designen av dessa maskiner kräver en detaljerad, matematisk förståelse för mikrosimmare i dessa miljöer.

En stor, internationell grupp av fysiker ledd av Abdallah Daddi-Moussa-Ider från Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Tyskland har nu genererat matematiska modeller av mikrosimmare i rena och ytaktiva ämnen täckta viskösa droppar, visar att det ytaktiva ämnet signifikant förändrar simmarens beteende. De har publicerat sina verk i EPJ E.

Dynamiken hos mikrosimmare som rör sig inuti en droppe trögflytande vätska beror på många saker, inklusive formen och storleken på droppen, antalet mikrosimmare och vätskans Reynolds-nummer. Detta är ett mått på viskositet; vätskor med lågt Reynoldsnummer är mer trögflytande och flyter på ett linjärt sätt med liten turbulens. Flödet av en sådan vätska kan modelleras genom att lösa en uppsättning partiella differentialekvationer som kallas Navier-Stokes ekvationer. I detta fall, själva mikrosimmaren ansågs vara en kraftdipol innesluten i droppen och placerad vid en inställningspunkt. Närvaron av ett skikt av ytaktivt ämne som omger droppen innehållande mikrosimmaren modellerades med användning av randvillkor.

Att lösa dessa ekvationer under en rad förhållanden – droppar med eller utan ytaktiva beläggningar, stillastående och fritt rörliga, och med olika Reynolds-nummer och radier – gav Daddi-Moussa-Ider och hans medarbetare en uppsättning subtilt olika flödesfält, varifrån mikrosimmarens dynamik kunde definieras. De noterar att dessa modeller av simmardynamik kan visa sig användbara för att designa mikromaskiner för materialsammansättning, biosensing och mikrokirurgi samt läkemedelsleverans.