[논문 리뷰] Spatially Heterogeneous Biofilm Simulations using an Immersed Boundary Method with Lagrangian Nodes Defined by Bacterial Locations

Jason F. Hammond, Elizabeth Stewart외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 15.

Lattice Boltzmann Simulation Studies참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 3차원에서 실험적으로 측정된 박테리아 세포 위치에 직접 라그랑주 노드를 배치함으로써 공간적으로 비균일한 생물막을 모델링하는 새로운 침습 경계 방법을 제시한다. 이는 유체-구조 상호작용, 점탄성 변형, 그리고 유속 하에서의 탈락을 정확하게 시뮬레이션할 수 있게 한다. 주요 결과로는 생물막의 밀도와 점도가 탈락 역학에 크게 영향을 미치며, 점도가 증가할수록 탈락이 지연되고, 밀도의 변동이 결과를 근본적으로 변화시킴을 보여주며, 이는 이전 모델보다 더 생물학적으로 현실적인 프레임워크를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 측정된 박테리아 세포 위치를 라그랑주 노드로 사용하여 생물막-유체 상호작용의 더 생물학적으로 현실적인 모델을 개발하기 위해.
• 유속 시스템에서 변수적인 생물막 밀도와 점도가 유체 유도 변형과 탈락에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 기하학적 다중격자 및 유한차분 방법을 사용하여 고점도, 고밀도 생물막을 시뮬레이션할 때 수치 정확도와 안정성을 향상시키기 위해.
• 미래의 실험 검증을 위한 다양한 유속 조건에서 생물막 분열 및 탈락을 예측할 수 있는 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 침습 경계 방법이 *Staphylococcus epidermidis* 생물막의 3차원 영상 데이터에 기반한 라그랑주 노드를 사용하도록 확장되었으며, 메쉬 정밀화 노드가 아닌 것이다.
• 유한차분법과 기하학적 다중격자 솔버를 사용하여 카르테시안 유한차분 격자에서 나비에-스토크스 방정식을 해결하여 고점도 및 고밀도 대비를 다루었다.
• 박테리아 세포 간의 선형 스프링을 통해 점탄성 거동을 모델링하였으며, 스트레스 구성 방정식은 생물막 특화 점도를 포함하도록 수정되었다.
• 디랙 델타 함수의 근사치가 메쉬 너비가 아닌 박테리아 반지름에 따라 스케일링되도록 조정되어 힘 전달 정확도가 향상되었다.
• 결합 길이가 원래 길이의 두 배를 초과할 경우 스프링 끊어짐 기준이 적용되어 탈락과 침식을 시뮬레이션하였다.
• 2차원 및 3차원 시뮬레이션 모두에서 복잡한 형태의 생물막을 포함하여 수렴성과 안정성에 중점을 두고 방법을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 박테리아 분포의 공간적 이질성이 생물막의 유동에 대한 반응에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 생물막 밀도와 점도를 변화시켰을 때 변형 및 탈락 역학에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 특히 다중격자 및 격자 적응 전략과 같은 다양한 수치 전략이 고대비 유체-구조 시스템의 시뮬레이션 정확도와 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 실험적으로 유도된 박테리아 위치가 생물막 시뮬레이션의 현실성과 예측 능력을 향상시키는가?
• RQ5 생물막의 점탄성 특성 변화가 탈락 시간과 분열 패턴에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 생물막 밀도의 미세한 변동이 탈락 결과에 크게 영향을 미치며, 이는 생물막과 유체 간의 밀도 차이가 이전 모델에서 자주 忽시된 핵심 요소임을 시사한다.
• 생물막 점도를 높일수록 탈락이 지연됨을 보여주며, 이는 점탄성 특성이 유속 하에서 생물막의 내구성에 핵심적인 역할을 함을 입증한다.
• 실험적으로 측정된 박테리아 위치를 라그랑주 노드로 사용함으로써 생물막 형태와 기계적 반응의 더 현실적인 시뮬레이션이 가능해졌다.
• 기하학적 다중격자 방법은 고대비 유체-구조 시스템에서 나비에-스토크스 방정식을 효과적으로 해결하지만, 고생물막 점도에서는 수렴 속도가 느려진다.
• 복잡한 3차원 형태의 생물막에 대한 시뮬레이션은 실험 관찰과 일치하는 현실적인 변형 및 분열 패턴을 보여주었다.
• 기존의 균일한 밀도 및 선형 탄성 스프링 가정은 부적합하며, 실제 생물막은 파손 이전에 플라스틱 변형과 항복을 보임을 모델이 드러냈다.