Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Winzige Kräfte im Blut bestimmen Strömungswiderstand

12.07.2011
Deutsch-amerikanisches Physikerteam berechnet erstmals den Einfluss der Anziehungskraft zwischen roten Blutkörperchen auf das Fließverhalten von Blut

Rote Blutkörperchen ziehen einander an, aber die Kräfte, die dabei wirken, sind winzig. Verglichen mit der Kraft, die durch das Gewicht einer sitzenden Stechmücke verursacht wird, sind sie etwa zehn Millionen Mal kleiner.

Dennoch bestimmen diese Kräfte den Strömungswiderstand von Blut, wie ein deutsch-amerikanisches Team von Physikern erstmals zeigen konnte. Die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und zweier US-amerikanischer Forschungseinrichtungen stellen diese und weitere Ergebnisse ihrer Berechnungen der physikalischen Eigenschaften von Blut in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "PNAS" vor.

Kaum vorstellbar klein ist die die Anziehungskraft, die rote Blutkörperchen aufeinander ausüben: Einen Wert von gerade einmal drei bis sieben Pico-Newton (Billionstel Newton) errechnete ein Team um den Physiker Prof. Gerhard Gompper, Direktor am Jülicher Institute of Complex Systems. "Bisher gibt es keine Möglichkeiten, diese Anziehungskräfte experimentell zu messen", erläutert der Experte für theoretische Physik und Simulation. "Deshalb haben wir die Eigenschaften von Blut im Computer nachgebaut. So konnten wir virtuelle Experimente durchführen, die in der Praxis gar nicht möglich wären.

Das hilft, die physikalischen Zusammenhänge in Blut besser zu verstehen." Computersimulationen könnten damit etwa zu einem besseren Verständnis der Symptome von Krankheiten beitragen oder bei der Entwicklung von Mikrofluidik-Systemen, etwa für diagnostische Zwecke.

Mit Hilfe ihrer Simulationen konnten die Forscher die Zusammenhänge zwischen der mikroskopischen Anordnung der roten Blutkörperchen und den Eigenschaften von Blut, wie dem Strömungswiderstand, - der Viskosität -, untersuchen. "Insbesondere führen Anziehungskräfte dazu, dass immer wieder zwei oder mehrere Blutkörperchen vorübergehend aneinander kleben bleiben, anstatt aneinander vorbei zu gleiten - was gleichbedeutend mit einem erhöhten Strömungswiderstand ist", erläutert Gompper. Die Forscher nutzen die so genannte Molekulardynamik, eine anerkannte Methode der theoretischen Physik, bei der Wechselwirkungen zwischen Molekülen über einen zeitlichen Verlauf simuliert werden. Da die dafür notwendige Rechenleistung enorm ist und an einem durchschnittlichen PC viele Monate gedauert hätte, rechneten die Forscher an Hochleistungscomputern, etwa dem Jülicher Supercomputer JUROPA.

Die Basis der Rechnungen bildeten zwei Modellsysteme. In einem simpleren Modell wurden die einzelnen roten Blutkörperchen durch einige wenige kugelförmige Teilchen repräsentiert, die mit Sprungfedern zu einem diskusförmigen Gebilde verbunden sind. Vergleiche mit Daten aus Experimenten zeigten, dass schon dieses vergleichsweise simple Modell die Viskosität von Blut sehr zuverlässig vorhersagt. Für die Simulation des Blutflusses durch sehr enge Gefäße jedoch war ein detailliertes Modell notwendig, das auch die Zellmembran der Blutkörperchen berücksichtigt, die biegbar ist und Verformungen ermöglicht. Das detaillierte Modell ermöglichte auch Untersuchungen von Eigenschaften roter Blutkörperchen, etwa ihrer Deformierbarkeit und eben der Anziehungskräfte untereinander.

"Wir haben unsere Daten mit Daten aus Experimenten abgeglichen, soweit es diese gibt, und wissen deshalb, dass unsere Modelle gut funktionieren", freut sich Gompper. "Wir planen deshalb, künftig damit auch die veränderten Eigenschaften zu untersuchen, die sich im Blut Kranker finden lassen. Diabetes beispielsweise verringert die Deformierbarkeit der roten Blutkörperchen. Dadurch erhöht sich der Strömungswiderstand des Blutes und die Durchblutung verschlechtert sich. Hier können wir uns vorstellen, dass sich aus der routinemäßigen Untersuchung der Eigenschaften einzelner roten Blutkörperchen diagnostische Vorhersagen für Durchblutungsstörungen ergeben."

Originalveröffentlichung:
Predicting human blood viscosity in silico; D. A. Fedosov, W. Pan, B. Caswell, G. Gompper, G. E. Karniadakis; PNAS Early Edition; Published online before print July 5, 2011;

doi: 10.1073/pnas.1101210108

Weitere Informationen, Fotos und Movie:
Forschungszentrum Jülich: www.fz-juelich.de
Forschung am Institut Theorie der Weichen Materie und Biophysik:
http://www.fz-juelich.de/ics/ics-2/DE/Home/home_node.html
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Gerhard Gompper, Forschungszentrum Jülich, Theorie der Weichen Materie und Biophysik, Tel. 02461 61-4012, E-Mail: g.gompper@fz-juelich.de
Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich, Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Angela Wenzik | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Fake News finden und bekämpfen
17.08.2017 | Fraunhofer-Institut für Sichere Informationstechnologie SIT

nachricht Neues interdisziplinäres Zentrum für Physik und Medizin in Erlangen
25.07.2017 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie