This article presents a novel computational model to study the selective filtering of biological hydrogels due to the surface charge and size of diffusing particles. It is the first model that includes the random 3D fiber orientation and connectivity of the biopolymer network and that accounts for elastic deformations of the fibers by means of beam theory. As a key component of the model, novel formulations are proposed both for the electrostatic and repulsive steric interactions between a spherical particle and a beam. In addition to providing a thorough validation of the model, the presented computational studies yield new insights into the underlying mechanisms of hindered particle mobility, especially regarding the influence of the aforementioned aspects that are unique to this model. It is found that the precise distribution of fiber and thus charge agglomerations in the network have a crucial influence on the mobility of oppositely charged particles and gives rise to distinct motion patterns. Considering the high practical significance for instance with respect to targeted drug release or infection defense, the provided proof of concept motivates further advances of the model toward a truly predictive computational tool that allows a case- and patient-specific assessment for real (biological) systems.


翻译:本文提出了一个新的计算模型,用于研究由于表面电荷和挥发粒子的大小而选择性过滤生物水文凝胶的问题。这是第一个模型,其中包括生物聚合物网络随机的3D纤维方向和连通性,并用光束理论说明纤维的弹性变形。作为模型的一个关键组成部分,为球状粒子和波束之间的静电和令人厌恶的消毒相互作用提出了新的配方。除了对模型进行彻底的验证外,提出的计算研究还产生了对阻碍粒子移动的深层机制的新洞察力,尤其是关于该模型所独有的上述方面的影响。发现,纤维的精确分布并因此在网络中加压聚变形对电荷粒子的移动具有关键影响,并产生了明显的运动模式。考虑到对定向药物释放或感染防御具有高度的实际意义,所提供的概念证据激励了模型朝着真正预测性计算工具的进一步发展,从而允许对真实(生物)系统进行案例和病人具体的评估。

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