[論文レビュー] Spatially Heterogeneous Biofilm Simulations using an Immersed Boundary Method with Lagrangian Nodes Defined by Bacterial Locations

Jason F. Hammond, Elizabeth Stewart+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2013

Lattice Boltzmann Simulation Studies参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、3次元で実験的に測定された細菌細胞の位置に直接ラグランジュノードを配置することで、空間的に不均一なバイオフィルムをモデル化する新しい埋め込み境界法を提示する。これにより、流体-構造相互作用、粘弾性変形、および流れ下での剥離の正確なシミュレーションが可能になる。主な結果として、バイオフィルムの密度と粘性係数が剥離ダイナミクスに顕著な影響を及ぼすことが示され、粘性係数の増加は剥離を遅らせる一方、密度の変動は結果を著しく変化させる。これは、従来のモデルよりも生物学的に現実的である。

ABSTRACT

In this work we consider how surface-adherent bacterial biofilm communities respond in flowing systems. We simulate the fluid-structure interaction and separation process using the immersed boundary method. In these simulations we model and simulate different density and viscosity values of the biofilm than that of the surrounding fluid. The simulation also includes breakable springs connecting the bacteria in the biofilm. This allows the inclusion of erosion and detachment into the simulation. We use the incompressible Navier-Stokes (N-S) equations to describe the motion of the flowing fluid. We discretize the fluid equations using finite differences and use a geometric multigrid method to solve the resulting equations at each time step. The use of multigrid is necessary because of the dramatically different densities and viscosities between the biofilm and the surrounding fluid. We investigate and simulate the model in both two and three dimensions. Our method differs from previous attempts of using IBM for modeling biofilm/flow interactions in the following ways: the density and viscosity of the biofilm can differ from the surrounding fluid, and the Lagrangian node locations correspond to experimentally measured bacterial cell locations from 3D images taken of Staphylococcus epidermidis in a biofilm.

研究の動機と目的

• 実験的に測定された細菌細胞の位置をラグランジュノードとして用いることで、バイオフィルム-流体相互作用のより生物学的に現実的なモデルを構築すること。
• 可変なバイオフィルム密度および粘性係数が、流れによる変形および剥離に与える影響を調査すること。
• 幾何的多重グリッド法および有限差分法を用いて、高粘性・高密度バイオフィルムのシミュレーションにおける数値的精度と安定性を向上させること。
• 将来の実験的検証に向け、さまざまな流れ条件におけるバイオフィルムの破断および剥離の予測的シミュレーションを可能にすること。

提案手法

• 埋め込み境界法を拡張し、メッシュの細分化に依存するのではなく、*Staphylococcus epidermidis* バイオフィルムの3次元画像データに基づくラグランジュノードを用いる。
• 有限差分法と幾何的多重グリッドソルバーを用いて、カルテジアンなEulerグリッド上でナビエ–ストークス方程式を解き、大規模な粘性係数および密度対比に対処する。
• 細菌細胞間の線形ばねを用いて粘弾性挙動をモデル化し、生物特異的な粘性係数を含む応力構成方程式を修正する。
• 力伝達の精度を向上させるために、メッシュ幅ではなく細菌の半径に応じてスケーリングするように、デルタ関数の近似を適応させる。
• バネ長が元の長さの2倍を超えた場合に、破壊基準を適用し、剥離および侵食を模擬する。
• 2次元および3次元の両方のシミュレーションにおいて、複雑な形状のバイオフィルムを含め、収束性および安定性に注目して妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 細菌分布の空間的不均一性がバイオフィルムの流れへの反応に与える影響は何か？
• RQ2 バイオフィルム密度および粘性係数の変動が、変形および剥離ダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ3 特に多重グリッド法およびグリッド適応戦略を含む、さまざまな数値的戦略が、高対比流体-構造系におけるシミュレーションの精度と安定性をどのように向上させるか？
• RQ4 実験的に得られた細菌位置を用いることで、バイオフィルムシミュレーションの現実性および予測能力が向上するか？
• RQ5 バイオフィルムの粘弾性特性の変化が、剥離時間および破断パターンに与える影響は何か？

主な発見

• バイオフィルム密度のわずかな変動が、剥離結果を著しく変化させることを示し、バイオフィルムと流体の密度差が、従来のモデルでしばしば無視されがちな重要な要因であることが明らかになった。
• バイオフィルムの粘性係数を高めることで剥離が遅れることを示し、粘弾性特性が流れ下でのバイオフィルムの耐性に重要な役割を果たすことが判明した。
• 実験的に測定された細菌位置をラグランジュノードとして用いることで、バイオフィルムの形状および機械的応答のより現実的なシミュレーションが可能になった。
• 幾何的多重グリッド法は、高対比流体-構造系においてナビエ–ストークス方程式を効果的に解けるが、バイオフィルムの粘性係数が高くなると収束が遅くなる傾向を示した。
• 複雑な3次元形状のバイオフィルムのシミュレーションは、実験的観察と整合的な現実的な変形および破断パターンを示した。
• 本モデルは、現在の均一な密度仮定および線形弾性ばねの仮定が不十分であることを明らかにした。実際のバイオフィルムは破断前に塑性変形および降伏を示す。