教育新闻网如果你拿起一桶水气球并推挤其中一个，相邻的气球也会做出反应。这是一个放大的例子，展示了细胞集合和其他可变形颗粒填料如何响应力。通过计算机模拟对这种现象进行建模可以阐明有关癌细胞如何侵入健康组织或叶子和花朵如何生长的问题。但是细胞聚集体的行为极其复杂，完全捕捉它们的结构和动力学已被证明是棘手的。
机械工程与材料科学、物理学和应用物理学教授 Corey O'Hern 实验室的一组研究人员开发了可变形粒子的新型计算机模拟，可以更准确地模拟它们的集体行为。该研究由博士 John Treado 领导。O'Hern 实验室的学生和博士后研究员 Dong Wang。它最近发表在物理评论材料上。
构成软固体的细胞、气泡、液滴和其他小颗粒——包括从蛋黄酱和剃须膏到细胞和组织的任何东西——都是高度可变形的。它们如何改变形状以及它们对力的反应方式存在显着差异。
“粒子集合对施加力、粒子形状和可变形性的响应之间存在密切联系，”Treado 说。“粒子可变形性决定了它们将如何移动，因为它们被许多邻居紧紧地压缩在一起，他们从四面八方挤压它们。”
传统的计算机模型通常将软粒子表示为球体。当球体相互挤压时，模型通过使球体重叠来表示球体的变形。这种方法在一定程度上有效，但有关粒子形状和相互作用的关键信息会丢失或被歪曲。
不过，O'Hern 团队开发了一种计算机模型，可以将粒子从松软的、能够轻松改变形状的状态调整到完全刚性的状态。该模型将每个粒子视为连接的小球环。在模拟中，力被施加到球形珠子上，模型跟踪连接的珠子如何改变位置和方向。
研究人员发现，允许集体的形状变化会产生材料响应，这是他们在固定球形颗粒时观察不到的。结果强调了将形状可纳入组织、泡沫和其他由可变形颗粒组成的软固体模型中的重要性。
“我们现在需要将模型扩展到三个维度，更接近地模仿现实世界，”王说。“我们还可以将可变形粒子模型应用于活跃的生物系统，这些系统可以形成群体、学校和羊群。”
Treado 和 Wang 目前也在使用这种新的计算机模型来研究肿瘤细胞如何侵入乳腺癌中的脂肪组织。在大多数癌症中，肿瘤细胞可以改变其形状以爬过致密组织、到达血管并扩散到其他部位。
“我们现在正在寻求确定肿瘤细胞可变形性的物理极限，以及它们必须施加的力来推动致密组织，”Treado 说。他们的工作可能会提高预测癌症是否会转移的能力。
