On the viscoelastic behaviour of living matter - experimental and theoretical approaches

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-07-10
Issue Year
2023
Authors
Hofemeier Abu Hattum, Shada
Editor
Abstract

The mechanical behaviour of living matter has been extensively investigated with the aim of gaining a deeper insight into its effects on physiological and pathological processes. Given the complex and constantly changing nature of living matter, a comprehensive evaluation of its viscoelastic properties is imperative, as opposed to merely assessing its elastic properties. Nonetheless, this task presents several challenges, including the limited number of techniques that are capable of probing viscoelastic properties, the potential for bias in traditional analytical methods that are constrained by predefined mechanical models, and the risk of altering the material's behaviour through repeated measurements due to its active response. In this thesis, I employed a combination of experimental and theoretical approaches to study the mechanical properties of living matter through the lens of viscoelasticity. I used Atomic Force Microscopy (AFM) as the primary measurement technique, due to its versatility in handling multiple samples and its ability to apply a range of probing signals. I began by examining the mechanical properties of various biological processes, including yeast cell dormancy, adipocyte differentiation, fat tissue dysfunction, and cell growth. The results highlight the critical importance of comprehending the dynamic mechanical behaviour of living matter and its impact on a broad spectrum of physiological and pathological processes, while also underlining the shortcomings in current methodologies. To address these limitations, I then focused on developing novel measurement and analytical methods. My first approach was to improve the analytical capabilities of conventional AFM indentation measurements, which only provided elastic characterisation, to also retrieve viscoelastic properties. This was accomplished through the use of numerical modelling, which simulated the indentation process in a viscoelastic material. The resulting model can be applied to existing AFM measurements to extract viscoelastic characteristics of the material, offering an advantage over traditional methods. Later, I recognised the need for a fast, model-independent approach that could be applied to multiple measurement techniques. Thus, I developed a new method for quantifying viscoelastic properties across a broad range of timescales from a single measurement. The efficacy of this approach was evaluated through experiments utilising both AFM and rheometer measurements. The potential of this methodology can be further leveraged by incorporating it into high-throughput measurement techniques, thereby enabling the acquisition of a more comprehensive understanding of the mechanical properties under investigation.

Overall, this thesis makes a fundamental contribution to the study of viscoelastic behaviour in living matter. The research provides valuable insights into how material properties of biological systems influence physiological and pathological processes. The newly developed measurement and analytical methods have the potential to enhance our understanding in this field and pave the way for innovative diagnostic and therapeutic strategies, which may have been overlooked until now in the clinical setting.

Abstract

Die Mechanik lebender Materie wurde ausgiebig untersucht, um ein besseres Verständnis der Auswirkungen auf physiologische und pathologische Prozesse zu erlangen. Angesichts der komplexen und sich ständig verändernden Natur lebender Materie ist eine umfassende Beschreibung ihrer viskoelastischen Eigenschaften im Gegensatz zu einer bloßen Charakterisierung ihrer elastischen Eigenschaften zwingend erforderlich. Dies bringt jedoch eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Zu diesen gehören die begrenzte Anzahl von Messtechniken, die in der Lage sind viskoelastische Eigenschaften zu untersuchen, ungenaue Berechnungen bei der Verwendung traditioneller analytischer Methoden, die durch vordefinierte mechanische Modelle eingeschränkt sind, und das Risiko die Eigenschaften des Materials durch wiederholte Messungen zu verändern. In dieser Arbeit habe ich eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Ansätzen verwendet, um die mechanischen Eigenschaften von lebender Materie mit einem besonderen Augenmerk auf Viskoelastizität zu untersuchen. Ich habe Rasterkraftmikroskopie (AFM) als primäre Messtechnik verwendet, da sie vielseitig in der Handhabung verschiedener Proben ist und eine Reihe von Messsignalen anwenden kann. Begonnen habe ich mit der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften unterschiedlicher biologischer Prozesse, unter Anderem das Eintreten in den Überdauerungszustand bei Hefezellen, die Differenzierung von Adipozyten, die Dysfunktion von Fettgewebe und das Zellwachstum. Die Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, das dynamische mechanische Verhalten lebender Materie und seine Auswirkungen auf ein breites Spektrum physiologischer und pathologischer Prozesse zu verstehen und verdeutlichen gleichzeitig die Unzulänglichkeiten der etablierten Methoden. Um dieses Problem zu beheben, habe ich mich auf die Entwicklung neuer Mess- und Analysemethoden konzentriert. Mein erster Ansatz bestand darin, die analytischen Möglichkeiten herkömmlicher, rein elastischer AFM-Eindruckmessungen, zu verbessern, um auch viskoelastische Eigenschaften zu bestimmen. Dies wurde durch den Einsatz von numerischen Modellen erreicht, die Eindruckmessungen in einem viskoelastischen Material simulieren. Das daraus resultierende Modell kann auf vorhandene AFM-Daten angewendet werden, um die viskoelastischen Eigenschaften des Materials zu extrahieren. Später erkannte ich die Notwendigkeit eines schnellen, modellunabhängigen Ansatzes, der auf mehrere Messverfahren angewandt werden kann. Dafür entwickelte ich eine neue Methode zur Quantifizierung der viskoelastischen Eigenschaften über ein breites Spektrum von Zeitskalen aus einer einzigen Messung. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes wurde anhand von Experimenten mit AFM und Rheometer-Messungen evaluiert. Das Potenzial dieser Methodik kann weiter genutzt werden, indem sie in modernen Hochdurchsatzverfahren integriert wird, was ein noch umfassenderes Verständnis der untersuchten mechanischen Eigenschaften ermöglicht wird. Insgesamt leistet diese Arbeit einen grundlegenden Beitrag zur Untersuchung des viskoelastischen Verhaltens lebender Materie. Meine Untersuchungen und Entwicklungen liefern wertvolle Erkenntnisse darüber, wie die Materialeigenschaften biologischer Systeme physiologische und pathologische Prozesse beeinflussen. Die neu entwickelten Mess- und Analysemethoden haben das Potenzial, unser Verständnis auf diesem Gebiet zu verbessern und ebnen den Weg für innovative diagnostische und therapeutische Strategien, die in der klinischen Praxis bisher möglicherweise übersehen werden.

DOI
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