Tillväxt och morfologi av bakteriella biofilmer i laminära flöden
Tid: On 2026-06-10 kl 10.00
Plats: F3, Lindstedtvägen 26
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: Cornelius Wittig , Strömningsmekanik, Fluids and Surfaces Group
Opponent: Associate Professor Roberto Rusconi, Humanitas Unversity and Research Hospital
Handledare: Professor Shervin Bagheri, Strömningsmekanik; Thomas Crouzier, Glykovetenskap; Professor Wouter van der Wijngaart, Mikro- och nanosystem
QC260519
Abstract
Varje yta som utsatts för biologiska vätskor riskerar att kontamineras av bakteriella biofilmer. Dessa biofilmer, som består av celler inbäddade i en skyddande matris av extracellulära polymera substanser, kan kraftigt öka friktionsmotståndet, försämra värmeöverföringen eller orsaka kroniska infektioner. Det har länge varit känt att det finns ett komplext samspel mellan strömningsfältet nära väggen och den biofilm som bildas på denna yta.Många experimentella metoder har utvecklats för att odla biofilmer under kontrollerade förhållanden. Dessa metoder innebär en avvägning mellan graden av kontroll (biokemisk och fysikalisk) och den komplexitet som finns i verkliga system.
Denna avhandling presenterar en serie experimentella millifluidiska studier på biofilm i laminära skjuvflöden med hjälp av automatiserade system för odling och datainsamling. Biofilmer odlades i kanalflöden under varierande skjuvspänningar samt på jämna och strukturerade ytor. Biofilmens tillväxt övervakades med hjälp av optisk koherenstomografi. På plana ytor visade sig biofilmtillväxten begränsas av skjuvningsdriven erosion, vilket resulterade i en linjär ackumulering över tid som är omvänt proportionell mot väggskjuvspänningen. Dessutom visade det sig att mikrokolonierna bildade geometriska strukturer som fungerar som triggar bildandet av "streamers", tunna biofilmtrådar som kan sträcka sig långt nedströms. Slutligen möjliggör ytstrukturer, särskilt rektangulära fåror som är större än enskilda bakterier, kontaminering av områden som annars skulle förbli rena. Dessa fåror erbjuder ett lokalt skydd från vilket biofilmen sedan kan expandera i en stegvis process. Stegen i denna process kännetecknas av olika interaktioner mellan fysik och biologi, från Lagrangesk partikeldynamik som bestämmer den initiala koloniseringen till icke-Newtonska materialegenskaper som möjliggör expansion till områden med hög skjuvspänning.
Dessa resultat belyser vikten av de fysiska förhållanden under vilka en biofilm bildas. Med hjälp av en kombination av experimentella studier, numerisk modellering och teori bidrar denna avhandling till biofilmforskningen genom att ge insikt i de mekaniska processer som styr biofilmens utveckling.