Se você pegar um balde de balões de água e empurrar um deles, os balões vizinhos também responderão. Este é um exemplo ampliado de como coleções de células e outras embalagens de partículas deformáveis ​​respondem às forças. Modelar esse fenômeno com simulações de computador pode lançar luz sobre questões sobre como as células cancerosas invadem o tecido saudável ou como as folhas e flores crescem. Mas o comportamento dos agregados celulares é extremamente complexo, e capturar totalmente sua estrutura e dinâmica se mostrou complicado.

Uma equipe de pesquisadores do laboratório de Corey O'Hern, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais, física, e física aplicada, desenvolveu novas simulações de computador de partículas deformáveis ​​que modelam com mais precisão seu comportamento coletivo. O estudo foi liderado por John Treado, um Ph.D. aluna, e o pesquisador de pós-doutorado Dong Wang, ambos no laboratório O'Hern. Foi publicado recentemente em Materiais de revisão física .

Células, bolhas, gotas, e outras pequenas partículas que formam sólidos macios - que incluem qualquer coisa, desde maionese e creme de barbear a células e tecidos - são altamente deformáveis. Há uma variabilidade significativa em como eles mudam de forma, e como eles respondem às forças.

“Há uma forte conexão entre a resposta da coleção de partículas às forças aplicadas, forma de partícula, e deformabilidade, ", Disse Treado." A deformabilidade das partículas determina como elas vão se mover, porque eles estão comprimidos com muitos vizinhos que os esmagam por todos os lados. "

Os modelos convencionais de computador normalmente representam partículas macias como esferas. Quando as esferas pressionam uma contra a outra, os modelos representam as deformações das esferas fazendo com que elas se sobreponham. Essa abordagem funciona até certo ponto, mas informações cruciais sobre as formas e interações das partículas são perdidas ou deturpadas.

A equipe O'Hern, no entanto, desenvolveu um modelo de computador que pode ajustar as partículas de serem flexíveis, com a capacidade de mudar facilmente de forma, a ser completamente rígido. Este modelo trata cada partícula como um anel de pequenas esferas conectadas. Na simulação, forças são aplicadas às contas esféricas, e o modelo rastreia como as contas conectadas mudam de posição e orientações.

Os pesquisadores descobriram que permitir mudanças na forma coletiva produziu respostas materiais que eles não teriam observado com as formas esféricas fixas das partículas. Os resultados ressaltam a importância de incorporar a variabilidade da forma em modelos de tecidos, espumas, e outros sólidos macios compostos de partículas deformáveis.

"Agora precisamos estender o modelo para três dimensões, que imita mais de perto o mundo real, "Disse Wang." Também podemos aplicar o modelo de partícula deformável a sistemas biológicos ativos, que podem formar enxames, escolas, e rebanhos. "

Treado e Wang também estão usando este novo modelo de computador para estudar como as células tumorais invadem o tecido adiposo no câncer de mama. Na maioria dos cânceres, as células tumorais podem mudar suas formas para rastejar através do tecido denso, alcançar os vasos sanguíneos, e se espalhar para outros sites.

"Estamos agora buscando determinar os limites físicos da deformabilidade das células tumorais, e as forças que eles devem exercer para empurrar um tecido denso, ", Disse Treado. Seu trabalho pode levar a melhorias na capacidade de prever se os cânceres irão metastatizar ou não.