Biofilmmechanik – Numerische und experimentelle Untersuchung der mechanischen Beanspruchung von Biofilmsystemen

Hintergrund

Fast jede Grenzfläche dient als Lebensraum für Mikroorganismen. Häufig bilden sie sich, eingebettet in einer Matrix aus Biopolymeren, Proteinen sowie anderen organischen Substanzen, zu Biofilmen aus. Neben den erwünschten und für technische Anwendung nützlichen Biofilmen, sind sie in vielen Bereichen jedoch störend und beeinträchtigen die Funktionsweise technischer Anlagen bzw. die Produktqualität. Im Krankenhausbereich sind sie immer wieder für Infektionen verantwortlich. Daher ist eine gezielte Vorhersage der Biofilmbildung sowohl für den Erhalt wie auch die Vermeidung von Biofilmen interessant.

Mit Hilfe eines vereinfachten jedoch biofilmähnlichen Systems auf Basis stark hydratisierter Hydrogele aus Polymeren wird das Materialverhalten wachstumsentkoppelt charakterisiert und die Messmethoden validiert. Dabei lässt sich das mechanische Verhalten der Hydrogele auf die des Biofilms abstimmen und analog zu realen Biofilmen unter hydrodynamischen Belastungen untersuchen. Die gewonnenen Materialparameter fließen in die Weiterentwicklung eines dreidimensionalen FEM-Biofilmmodells ein. Die verwendenden Strukturdaten entsprechen denen eines realen Biofilms, die mittels Bildanalysen ermittelt wurden.

Ziel
  • Entwicklung eines definierten Modellsystems aus Hydrogelfilmen
  • Experimentelle Charakterisierung des Materialverhaltens und der Materialkonstanten dieses Modellsystems sowie an definierten Biofilmen durch Nanoindentation, Bildanalyse und Mikroelektrodentechnik
  • Einfluss der durch äußerlich wirkenden Kräfte induzierten Spannungen auf die Struktur
  • FEM-Modell-Generierung zur Beschreibung von Biofilmbildung unter Berücksichtigung des strukturellen Einflusses auf die mechanische Stabilität
  • Vergleich von simuliertem mit realem Verhalten und eine iterative Anpassung der Modellparameter gewährleisten eine kontinuierliche Verbesse­rung des FEM-Modells und ermöglichen die numerische Annäherung an die Experi­mente
  • Untersuchungen tragen zum Verständnis von Abtragsphänomenen sowie der Biofilmstabilität und deren Simulation bei

Publikationen
0. Böl M, Ehret A E, Bolea-Albero A, Hellriegel J, Krull R (2013)
Recent advances in mechanical characterisation of biofilm and their significance for material modelling.

CRC Cr. Rev. Biotechn. 33:145-171.

0. Böl M, Möhle R B, Haesner M, Neu T, Horn H, Krull R (2009)
3D finite element model of biofilm detachment using real biofilm structures from CLSM data.

Biotechnol. Bioeng. 103:177-186.

0. Band 35: Möhle, Roland Bernhard (2008)
An Analytic-Synthetic Approach Combining Mathematical Modeling and Experiments – Towards an Understanding of Biofilm Systems.

FIT-Verlag • Paderborn, ISBN: 978-3-932252-41-9, ISSN: 1431-7230.

0. Möhle R B, Langemann T, Haesner M, Augustin W, Scholl S, Neu T R, Hempel D C, Horn H (2007)
Structure and shear strength of microbial biofilms as determined with Confocal Laser Scanning Microscopy and  Fluid Dynamic Gauging using a novel Rotating Disc Biofilm Reactor.

Biotechnol. Bioeng. 98:747-755.