Kierownik Zakładu:

Zlec. 176

1. Matematyczne modele układów biologicznych i ich doświadczalna weryfikacja.

2. Mikroprzepływy; wykorzystanie do produkcji nanomateriałów biologicznych.

Zlec. 178

1. Fizyczne właściwości płynów złożonych.

2. Wielocząstkowe oddziaływania hydrodynamiczne mikro-obiektów między sobą oraz z powierzchniami międzyfazowymi.

3. Współczynniki transportu zawiesin.

ZLECENIE NR 176
MODELOWANIE W BIOLOGII I MEDYCYNIE.
1. Matematyczne modele układów biologicznych i ich doświadczalna weryfikacja.
2. Mikroprzepływy; wykorzystanie do produkcji nanomateriałów biologicznych.

1. CEL BADAŃ:

   Poznanie i analiza sygnalizacji wewnątrz i między komórkowej związanej z obroną immunologiczną, rakiem, procesami arteriosklerozy, sygnalizacji wapnia. Celem matematycznego modelowania oraz badań eksperymentalnych było zbadanie efektów przestrzennych i stochastycznych prowadzących do heterogeniczności odpowiedzi (sygnalizacji) w populacji komórek. Optymalizacja procesu wytwarzania biodegradowalnych, uwalniających leki opatrunków z nano-włókien otrzymywanych techniką elektro-przędzenia. Rozwijanie technik mikroprzepływowych, analiza mieszania i kinetyki układów małych kropel.

2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC i OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:
   • Analiza przepływu wapnia między cytozolem a mitochondriom przy uwzględnieniu dwóch modów pracy uniportera mitochondrialnego. Badanie możliwości propagacji fali arteriosklerotycznej w dwu reżimach: bistabilnym i monostabilnym. Wykazano istnienie oscylacji wapniowych w zmodyfikowanym trój-kompartmentowym modelu homeostazy wapniowej w komórce. Dowiedziono istnienia i zbadano własności fal arteriosklerotycznych w przypadku monostabilnym. Interpretacja wyniku: jeśli koncentracja lekkiego cholesterolu we krwi jest dostatecznie duża, to odkładanie się złogu miażdżycowego ma charakter spontaniczny.
   • Przeanalizowano stochastyczną kinetykę bistabilnego układu autoaktywujących się kinaz dyfundujących na błonie komórkowej. Wykazano, że współczynnik dyfuzji, rozmiar i geometria reaktora wpływa jakościowo na stan układu. Aktywacja układu może być wynikiem zmiany współczynnika dyfuzji bądź wielkości reaktora. Pokazano, że wskutek stochastycznej fluktuacji i, następnie, propagacji semi-deterministycznej fali biegnącej lokalne zmniejszenie dyfuzji substratów może prowadzić do globalnej aktywacji reaktora.
   • Rozwinięto matematyczny model sieci regulatorowej białka p53. W modelu uwzględniono trzy formy białka p53, które pełnią w komórce przeciwstawne funkcje. Nieaktywna forma występuje w nieuszkodzonych komórkach, forma p53 "arrester" umożliwia  procesy naprawy DNA zatrzymując cykl komórkowy (wzrost poziomu fosfatazy Wip1), a forma p53 "killer" jest odpowiedzialna za wzrost poziomu fosfatazy PTEN i inicjację apoptozy. Wykazano, że krytyczna dawka promieniowania powodującego apoptozę maleje wraz ze wzrostem ekspresji PTEN i rośnie wraz ze wzrostem ekspresji Wip1.
   • Przeanalizowano moduł regulujący apoptozę. Wykazano, że w zależności od wartości parametrów apoptoza może być kontrolowana przez bramki logiczne ‘AND’ i ‘OR’: w pierwszym przypadku do skierowania komórki na ścieżkę apoptozy wymagane są jednocześnie oba sygnały (defosforylacja kinazy AKT oraz wzrost poziomu p53 killer), w drugim – wystarcza dowolny z nich.
   • Przeanalizowano model ekspresji dwóch genów z podwójnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym („toggle switch”) w obecności dwóch źródeł szumu: związanego z przełączaniem genu i związanego z dimeryzacją czynnika transkrypcyjnego. Pokazano że wzrost wartości szumu  przełączania pierwszego genu prowadzi do aktywacji genu drugiego genu, natomiast wzrost szumu dimeryzacji dla białka pierwszego genu prowadzi do aktywacji tego genu.
   • Kontynuowano badania nad zastosowaniem elektroprzędzonych nanowłókien do tworzenia systemów uwalniania leków i materiałów izolacyjnych stosowanych w operacjach centralnego układu nerwowego, oraz badania zastosowania mat z elektroprzędzonych nanowłókien do tworzenia implantów urologicznych (moczowód i pęcherz moczowy) oraz jako opatrunek w chorobach skóry i oparzeniach.
   • Badano topologię przepływu w mikrokropli poruszającej się w kanale. Wykazano istnienie gwałtownej  zmiany prędkości poruszania się kropli przy przekroczeniu progowej wartości liczby kapilarnej.
   • Analizowano konfiguracje kropel podwójnych, kształt powierzchni rozgraniczającej oraz warunki wchłaniania (engulfing) jednej z kropli. Zbadano warunki tworzenia układów wielu kropel, dla których krople różnych cieczy występują naprzemiennie.
3. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:
   • Profilaktyka antymiażdżycowa,
   • Uzyskanie nowych opatrunków uwalniających leki i wspomagających leczenie ran mózgu,
   • Uzyskanie wiedzy na temat odporności różnych linii rakowych na radioterapie,
   • Konstrukcja układów mikroprzepływowych jako narzędzia do badań biochemicznych i biomedycznych.

ZLECENIE NR 178
1. Fizyczne właściwości płynów złożonych.
2. Wielocząstkowe oddziaływania hydrodynamiczne mikro-obiektów między sobą oraz z powierzchniami międzyfazowymi.
3. Współczynniki transportu zawiesin.

1. CEL BADAŃ:

   Celem nadrzędnym badań prowadzonych w Pracowni Fizyki Płynów Złożonych jest zrozumienie podstawowych praw dynamiki i reologii takich układów dyspersyjnych, które mają istotne znaczenie dla rozwoju nowoczesnych technologii i postępu w medycynie oraz w naukach biologicznych. Tworzymy podstawy teoretyczne i bazę numeryczną niezbędną do wyznaczania ruchliwości układów wielu nano- i mikro-obiektów o złożonej strukturze wewnętrznej i kształcie, znajdujących się w roztworze w pobliżu powierzchni rozdziału faz, oraz do obliczenia współczynników: dyfuzji translacyjnej i rotacyjnej, sedymentacji oraz lepkości efektywnej zawiesin takich cząstek, w kontekście nowoczesnych zastosowań biologicznych, medycznych i przemysłowych (zwłaszcza lab-on-chip).

2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:
   • Zaproponowano nowy model fibrynogenu - białka znajdującego się w osoczu krwi. Na podstawie obliczeń numerycznych i danych eksperymentalnych dla lepkości wewnętrznej i promienia hydrodynamicznego wyznaczono strukturę fibrynogenu.
   • Przeprowadzono analizę dynamiki elastycznych mikrowłókien w kanale w obecności przepływu Poiseuille'a w zależności od odległości od ściany kanału, współczynnika sztywności i długości włókna. Wyniki są istotne dla nowoczesnych układów lab-on-chip.
   • Przebadano wpływ deformacji cząstek na ich kolektywną dynamikę w przepływie Poiseuille'a między dwiema równoległymi ścianami. Porównano ewolucję liniowych układów kropel oraz sztywnych kul i pokazano, że te ostatnie są niestabilne ze względu na lateralne zaburzenia.
   • Pokazano, że w początkowo jednorodnej zawiesinie poddanej przepływowi ścinającemu pojawiają się równoległe warstwy cząstek w obszarze międzyściennym. Wyjaśniono mechanizm tego zjawiska: przepływ w ograniczonym obszarze zmniejsza  możliwość zderzeń cząstek poruszających się wzdłuż bliskich linii przepływu.
   • Przeanalizowano niestabilność eliptyczną w rozwoju turbulencji - dla pola magnetycznego dysków akrecyjnych, oraz jej rolę w generowaniu pola magnetycznego.
   • Wykazano metodą Direct Simulation Monte Carlo, że obecność pary wodnej w procesie wytwarzania obłoku plazmowego hydroksyapatytu (powstałego w wyniku ablacji laserowej) sprzyja prawidłowemu przyrostowi monowarstwy materiału na substracie. Wyniki są istotne w technologii wytwarzania biokompatybilnych protez. Zbadano również powstawanie fal udarzeniowych w mikro i nanoskali, w tym i podobnych układach.
   • Pokazano numerycznie, że krople zawiesiny opadające grawitacyjnie w pobliżu ścianki oddalają się od niej, zwiększając swoją prędkość oraz czas życia przed destabilizacją. Oddalanie jest skorelowane z powolną utratą cząstek, które jako wolniejsze pozostają z tyłu za kroplą.
   • Obliczono współczynniki sedymentacji, translacyjnej i rotacyjnej dyfuzji własnej oraz efektywnej lepkości dla zawiesin cząstek składających się z porowatej, przepuszczającej płyn otoczki i twardego rdzenia, w całym zakresie ułamków objętościowych, przepuszczalności otoczki i rozmiaru rdzenia. Wyniki są istotne dla modelowania transportu leków przez mikrożele.
3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:
   • Podany został teoretyczny opis translacyjnych ruchów Browna dla cząstek o dowolnym kształcie.  Wyniki te mają istotne znaczenie przy obliczaniu dyfuzji własnej białek, DNA i innych brownowskich niesymetrycznych cząstek w roztworach wodnych.
   • Wyprowadzono teoretycznie (z równania Smoluchowskiego) ogólne wyrażenia na zależną od częstości lepkość wewnętrzną zawiesin cząstek brownowskich o dowolnym kształcie, co jest bardzo ważne z punktu widzenia licznych zastosowań do układów koloidalnych o znaczeniu medycznym, biologicznym i chemicznym.
4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

   Wyniki mają istotne znaczenie poznawcze, a także są używane do wyjaśnienia danych eksperymentalnych. W szczególności wykorzystują je nasi liczni współpracownicy. Przykłady zastosowań:

   • transport leków i innych substancji,
   • oczyszczanie wody,
   • osadzanie cząstek na powierzchniach (implanty, stenty, przeszczepy sztucznych organów, koagulacja krwi),
   • segregacja cząstek,
   • ruchliwość zawiesin biologicznych,
   • dyfuzja nano-obiektów.