Computational analysis of sensing and actuation in natural and nature-inspired ciliary systems
Computeranalyse van waarneming en aandrijving in natuurlijke en door de natuur geïnspireerde ciliaire systemen
Het vermogen van organismen om prikkels uit hun omgeving waar te nemen en erop te reageren is een essentieel kenmerk van leven. Deze interacties zijn afhankelijk van fijn afgestemde biologische systemen die bijdragen aan navigatie, communicatie, voortplanting en homeostase. Cilia, microscopisch kleine haarachtige structuren, spelen daarin een centrale rol. Beweeglijke cilia genereren stromingen, terwijl sensorische cilia mechanische prikkels omzetten in elektrische signalen. Hun morfologische diversiteit is nauw verbonden met specifieke fysiologische functies, maar de onderliggende mechanobiologische principes zijn nog slechts gedeeltelijk begrepen.
In dit proefschrift onderzocht Ishu Aggarwal de fysische mechanismen en structurele parameters die de prestaties van ciliaire systemen bepalen, door middel van eindige-elementensimulaties van cilia-vloeistofinteracties. In het eerste deel wordt de kunstmatige embryonale knoop bestudeerd om hypothetische mechanische en biochemische mechanismen van links-rechts-symmetriebreuk tijdens embryonale ontwikkeling te verkennen. Het tweede deel richt zich op de vorm-functierelatie bij mechanosensorische cilia.
Simulaties van stereocilia-haarbundels in de sacculus van de brulkikker tonen aan hoe hun morfologie uitzonderlijke gevoeligheid en betrouwbaarheid mogelijk maakt. Evenzo laten modellen van vis-neuromastcupulae zien dat variaties in geometrie, materiaaleigenschappen en ruimtelijke ordening hun gevoeligheid voor hydrodynamische prikkels sterk beïnvloeden.
In het laatste deel wordt een bio-geïnspireerd microfluïdisch systeem gepresenteerd voor efficiënte menging in stilstaande vloeistoffen, gebaseerd op schuine kunstmatige trilharen opgebouwd uit zachte (deels magnetische) polymeren.
De gecombineerde inzichten in biologische en kunstmatige cilia onderstrepen hun potentieel voor de ontwikkeling van betrouwbare micro- en nanoschaal sensors, met toepassingen in biomedische technologie, diagnostiek en industriële systemen.