Investigating biofilm deformation using optical coherence tomography and fluid-structure interaction simulation
Creators: name: Blauert, Florian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: Biofilm
OCT
optische Kohärenztomographie
Biofilmmechanik
Poisson's ratio
Biofilmdeformation

description: Das Feld der Biofilmmechanik ist noch immer einer der am wenigsten untersuchten
Bereiche der Biofilmforschung. Um zu verstehen, was Biofilmen eine so große Widerstandskraft
gegen Scherspannung verleiht, muss das Wechselspiel von Deformation und
Änderung der Biofilmmatrix im Detail untersucht werden. Seit der Einordnung von
Biofilmen in viskoelastische Materialien wurden fast keine Untersuchungen hinsichtlich
elastischer Deformation durchgeführt. Jedoch sind es die elastischen Eigenschaften eines
Biofilms, welche der Biofilmmatrix die Fähigkeit zur Absorption von mechanischem
Stress maßgeblich beeinflussen.
Diese Dissertation vertieft das Verständnis im Bereich der elastischen Biofilmmechanik.
Durch die Nutzung der optischen Kohärenztomographie (OCT) konnten neue
Erkenntnisse über die Dynamik der elastischen Biofilmdeformation gewonnen werden.
Das beinhaltet die Änderung der Porosität während des Deformationsprozesses, die
Änderung der mechanischen Eigenschaften mit der Fließgeschwindigkeit während der
Kultivierung, sowie die Bestimmung zuvor noch nicht gemessener mechanischer Parameter
wie die Poissonzahl, das Kompressionsmodul, sowie die Kompressibilität von
Biofilmen. Zum ersten Mal konnte eine Messgröße für die Poissonzahl bestimmt werden,
welche die relative Längenänderung zwischen transversaler und axialer Deformation beschreibt.
Da Biofilme einen hohen Wassergehalt haben, wurde lange Zeit angenommen,
dass sie sich wie inkompressible Materialien (z.B. Gummi) verhalten. Daher wurden
in Simulationsstudien immer positive Werte für die Poissonzahl angenommen. OCT
Aufnahmen während Deformationsexperimente zeigten jedoch eine höchst kompressible
Biofilmmatrix. Daraus wurde geschlossen, dass es sich bei den untersuchten Biofilmen
zum Teil um sogenannte auxetische Materialien mit negativer Poissonzahl handelt. Dies
ändert das Verständnis der mechanischen Natur von Biofilmen maßgeblich. Die daraus
ermittelten Werte erlaubten zudem die Bestimmung des Kompressionsmoduls, sowie der
Kompressibilität.
In Fluid-Struktur-Interaktions Simulationen wurden die gewonnenen Parameter daher
genutzt, um das mechanische Verständnis von Biofilmen im Detail zu verstehen.
Biofilmdeformationen, welche mittels OCT verfolgt wurden, lieferten reale Geometrien,
die als strukturelle Vorlage für die Simulationen dienten. Durch die Implementierung
von realen Geometrien konnte die Abschätzung von Materialkonstanten weiter verbessert
werden. Mit diesen Simulationen konnte gezeigt werden, dass der Young's Modulus
bei ansteigender Schubspannung nicht konstant bleibt. Dies ist eine direkte Konsequenz
der Heterogenität der Biofilmstruktur. Zuletzt wurde der Ein Fluss von negativen Poissonzahlen
untersucht und die Qualität der Simulationen diskutiert. Biofilme zeigten in
Simulationen mit negativen Poissonzahlen Deformationen, welche vergleichbar mit den
realen OCT Aufnahmen waren. Die Simulationen zeigten, dass es sich bei Biofilmen
teilweise um auxetische Materialien handelt.