Se prendi un secchio di palloncini d'acqua e ne spingi uno, anche i palloncini vicini risponderanno. Questo è un esempio ingrandito di come le raccolte di cellule e altri impaccamenti di particelle deformabili rispondono alle forze. La modellazione di questo fenomeno con simulazioni al computer può far luce su come le cellule tumorali invadano i tessuti sani o su come crescono foglie e fiori. Ma il comportamento degli aggregati cellulari è estremamente complesso, e catturare completamente la loro struttura e dinamica si è rivelato difficile.

Un team di ricercatori nel laboratorio di Corey O'Hern, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, fisica, e fisica applicata, ha sviluppato nuove simulazioni al computer di particelle deformabili che modellano in modo più accurato il loro comportamento collettivo. Lo studio è stato condotto da John Treado, un dottorato di ricerca alunno, e ricercatore post-dottorato Dong Wang, entrambi nel laboratorio O'Hern. È stato recentemente pubblicato su Materiali per la revisione fisica .

cellule, bolle, goccioline, e altre piccole particelle che compongono i solidi molli, che includono qualsiasi cosa, dalla maionese e la crema da barba alle cellule e ai tessuti, sono tutte altamente deformabili. C'è una variabilità significativa nel modo in cui cambiano forma, e come rispondono alle forze.

"Esiste una forte connessione tra la risposta della raccolta di particelle alle forze applicate, forma delle particelle, e deformabilità, " ha detto Treado. "La deformabilità delle particelle determina come si muoveranno, perché sono compressi strettamente con molti vicini che li schiacciano da tutte le parti".

I modelli computerizzati convenzionali rappresentano tipicamente le particelle morbide come sfere. Quando le sfere premono l'una contro l'altra, i modelli rappresentano le deformazioni delle sfere facendole sovrapporre. Questo approccio funziona in una certa misura, ma le informazioni cruciali sulle forme e le interazioni delle particelle vengono perse o travisate.

Il team di O'Hern, anche se, sviluppato un modello al computer in grado di sintonizzare le particelle dall'essere floppy, con la capacità di cambiare facilmente forma, all'essere completamente rigido. Questo modello tratta ogni particella come un anello di piccole sfere collegate. Nella simulazione, le forze vengono applicate alle sfere sferiche, e il modello tiene traccia di come le perline collegate cambiano posizione e orientamento.

I ricercatori hanno scoperto che consentire cambiamenti di forma collettivi ha prodotto risposte materiali che non avrebbero osservato con forme sferiche fisse delle particelle. I risultati sottolineano l'importanza di incorporare la variabilità della forma nei modelli di tessuti, schiume, e altri solidi molli composti da particelle deformabili.

"Ora dobbiamo estendere il modello a tre dimensioni, che imita più da vicino il mondo reale, " ha detto Wang. "Possiamo anche applicare il modello delle particelle deformabili a sistemi biologici attivi, che possono formare sciami, scuole, e greggi».

Treado e Wang stanno attualmente utilizzando questo nuovo modello computerizzato per studiare come le cellule tumorali invadono il tessuto adiposo nel cancro al seno. Nella maggior parte dei tumori, le cellule tumorali possono cambiare forma per strisciare attraverso il tessuto denso, raggiungere i vasi sanguigni, e diffondersi in altri siti.

"Stiamo ora cercando di determinare i limiti fisici della deformabilità delle cellule tumorali, e le forze che devono esercitare per spingere attraverso un tessuto denso, " Ha detto Treado. Il loro lavoro può portare a miglioramenti nella capacità di prevedere se i tumori metastatizzeranno o meno.