Si vous prenez un seau de ballons d'eau et que vous en bousculez un, les ballons voisins réagiront également. Il s'agit d'un exemple à plus grande échelle de la façon dont des ensembles de cellules et d'autres emballages de particules déformables réagissent aux forces. La modélisation de ce phénomène avec des simulations informatiques peut éclairer des questions sur la façon dont les cellules cancéreuses envahissent les tissus sains ou sur la croissance des feuilles et des fleurs. Mais le comportement des agrégats cellulaires est extrêmement complexe, et saisir pleinement leur structure et leur dynamique s'est avéré délicat.

Une équipe de chercheurs du laboratoire de Corey O'Hern, professeur de génie mécanique et science des matériaux, la physique, et physique appliquée, a développé de nouvelles simulations informatiques de particules déformables qui modélisent plus précisément leur comportement collectif. L'étude a été dirigée par John Treado, un doctorat étudiant, et chercheur postdoctoral Dong Wang, tous deux dans le laboratoire O'Hern. Il a été récemment publié dans Documents d'examen physique .

Cellules, bulles, gouttelettes, et d'autres petites particules qui composent les solides mous, qui incluent n'importe quoi, de la mayonnaise à la crème à raser en passant par les cellules et les tissus, sont toutes hautement déformables. Il y a une grande variabilité dans la façon dont ils changent de forme, et comment ils réagissent aux forces.

"Il existe un lien étroit entre la réponse de la collection de particules aux forces appliquées, forme de particule, et déformabilité, " a déclaré Treado. " La déformabilité des particules détermine comment elles vont se déplacer, parce qu'ils sont fortement compressés avec de nombreux voisins qui les écrasent de tous les côtés."

Les modèles informatiques conventionnels représentent généralement les particules molles sous forme de sphères. Quand les sphères se pressent l'une contre l'autre, les modèles représentent les déformations des sphères en les faisant se chevaucher. Cette approche fonctionne dans une certaine mesure, mais des informations cruciales sur les formes et les interactions des particules sont perdues ou déformées.

L'équipe O'Hern, bien que, développé un modèle informatique qui peut régler les particules d'être disquette, avec la possibilité de changer facilement de forme, à être complètement rigide. Ce modèle traite chaque particule comme un anneau de petites sphères connectées. Dans la simulation, des forces sont appliquées aux billes sphériques, et le modèle suit comment les perles connectées changent de position et d'orientation.

Les chercheurs ont découvert que permettre des changements de forme collectifs produisait des réponses matérielles qu'ils n'auraient pas observées avec des formes sphériques fixes des particules. Les résultats soulignent l'importance d'intégrer la variabilité de forme dans les modèles de tissus, mousses, et d'autres solides mous composés de particules déformables.

"Nous devons maintenant étendre le modèle à trois dimensions, qui imite plus fidèlement le monde réel, " a déclaré Wang. " Nous pouvons également appliquer le modèle de particules déformables aux systèmes biologiques actifs, qui peuvent former des essaims, écoles, et des troupeaux."

Treado et Wang utilisent également actuellement ce nouveau modèle informatique pour étudier comment les cellules tumorales envahissent le tissu adipeux dans le cancer du sein. Dans la plupart des cancers, les cellules tumorales peuvent changer de forme pour ramper à travers les tissus denses, atteindre les vaisseaux sanguins, et se propager à d'autres sites.

« Nous cherchons maintenant à déterminer les limites physiques de la déformabilité des cellules tumorales, et les forces qu'ils doivent exercer pour pousser à travers un tissu dense, ", a déclaré Treado. Leurs travaux pourraient améliorer la capacité de prédire si les cancers métastaseront ou non.