Hydrodynamics of deformable swimming cells in MPCD fluids

Biologische Zellen und synthetische Mikroschwimmer müssen nicht-reziproke Körperverformungen erzeugen, um sich in viskosen Umgebungen fortzubewegen, in denen Trägheitseffekte vernachlässigbar sind. Während theoretische Modelle häufig starre Schwimmer mit vorgegebenen Oberflächengeschwindigkeiten annehmen, besitzen reale Zellen verformbare Membranen, deren mechanische Eigenschaften das Schwimmverhalten grundlegend beeinflussen. Diese Masterarbeit untersucht, wie die Membranmechanik die Fortbewegung einer verformbaren Zelle beeinflusst, mittels gekoppelter Molekulardynamik- und Multi-Particle Collision Dynamics (MPCD) Simulationen. Die Zelle wird als triangulierte elastische Oberfläche mit 1002 Knoten modelliert, wobei Wechselwirkungspotentiale für Bindungselastizität, Biegesteifigkeit und Volumenerhaltung berücksichtigt werden. Das Zellenmodell ist in ein MPCD-Fluid eingebettet, das die wesentliche Hydrodynamik bei niedriger Reynoldszahl (Re ≈ 0, 22) erfasst. Nicht-reziprokes Schwimmen wird durch zeitlich periodische Kräfte erreicht, die auf drei Oberflächennodes eines gleichseitigen Dreiecks wirken, wobei Phasenverschiebungen die Zeitumkehrsymmetrie brechen. Systematische Parameterstudien liefern drei zentrale Ergebnisse. Erstens folgt die Schwimmgeschwindigkeit der kanonischen Skalierungsrelation für Mikroschwimmer v ∝ ε₂² f, wobei ε₂ die Verformungsamplitude und f die Antriebsfrequenz bezeichnet; dies wurde mit hoher Korrelation (R₂ = 0, 98) bestätigt. Zweitens beeinflusst die Biegesteifigkeit der Oberfläche sowohl die Verformungsamplitude als auch die Asphärizität der Zelle: steifere Oberflächen bleiben sphärischer und zeigen geringere Verformungen. Drittens, und besonders bemerkenswert, bestimmt die Biegesteifigkeit die Schwimmrichtung. Weiche Oberflächen ermöglichen Vorwärtsschwimmen durch schlagdominierten Antrieb, während steife Oberflächen Rückwärtsschwimmen verursachen, bei dem Oberflächengeschwindigkeitseffekte dominieren. Der Übergang erfolgt bei mittleren Steifigkeitswerten (kBend = 1000–2000 kBT). Diese Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche einen Kontrollmechanismus für die Fortbewegung von Mikroschwimmern darstellen. Dies hat Implikationen sowohl für das Verständnis biologischer Zellmotilität als auch für die Entwicklung synthetischer Mikroroboter mit einstellbaren Schwimmeigenschaften.