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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.43.2017.tde-26052017-145559
Documento
Autor
Nome completo
Mariana Sacrini Ayres Ferraz
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2015
Orientador
Banca examinadora
Alencar, Adriano Mesquita (Presidente)
Bassaneze, Vinícius
Mohan, Madras Viswanathan Gandhi
Oliveira, Mario Jose de
Salvadori, Maria Cecilia Barbosa da Silveira
Título em português
Difusão anômala de microesferas em estruturas complexas
Palavras-chave em português
Célula
Difusão
Movimento Browniano
Reologia
Resumo em português
Esse é um trabalho teórico e experimental em que princípios básicos de mecânica estatística são utilizados para entender a dinâmica de micro e nano esferas acopladas direta e indiretamente a células aderentes vivas, objetivando a caracterização mecânica das mesmas. Dentre esses princípios básicos estão inclusos, principalmente, conceitos relacionados à difusão. Na difusão clássica, tem-se uma dependência linear do deslocamento quadrático médio com o tempo. Caso contrário, quando o expoente é diferente de um, tem-se o que se chama de difusão anômala. Caso seja maior que um, o processo é superdifusivo, e se menor que um, subdifusivo. Para se estudar o comportamento mecânico de sistemas complexos pode-se usar micro e nanoesferas como elementos de análise. Essas esferas são dispostas no material a ser estudado, e observando a sua dinâmica é possível caracterizar o processo que conduziu essa dinâmica e consequentemente inferir propriedades físicas do material. Nesse trabalho aplicam-se técnicas de rastreamento de partículas, microscópicas e nanoscópicas, para estudar propriedades dinâmica de células, especialmente difusibilidade, remodelação da estrutura celular e campos de força. Para isso foram utilizadas duas técnicas experimentais de rastreamento de micro e nanoesferas e modelos fenomenológicos e de mecânica estatística. Essas propriedades dinâmicas tem uma grande semelhança com materiais vítreos moles. Nesse contexto, certas funções celulares, como divisão, contração, difusão, requerem que as células apresentem fluidez similarmente a um líquido, enquanto que para outras funções, como manter a sua estrutura celular, elas devam ter uma aparência mais rígida. Essas características assemelham-se a um material vítreo, onde desordem e metastabilidade são características subjacentes de suas funções mecânicas. Os resultados experimentais apresentados aqui evidenciam essa metaestabilidade na forma de anomalias e correlações temporais dos vários dados coletados. Também explicamos os dados experimentais encontrados em termos das atividades metabólicas e a remodelação ativa do citoesqueleto. Mostra-se também os dados obtidos para músculo cardíaco em plena atividade pulsátil. Os resultados aqui obtidos têm aplicações diretas em pesquisa básica e clínica.
Título em inglês
Anomalous Diffusion of Microspheres in Complex Structures
Palavras-chave em inglês
Brownian motion
Cell
Diffusion
Rheology
Resumo em inglês
This is a theoretical and experimental work in which basic principles of statistical mechanics are used to understand the dynamics of micro and nano spheres attached directly or indirectly to living adherent cells, with the aim of the mechanical characterization of them. Among these basic principles, mainly concepts related to diffusion are included. In classical diffusion, there is a linear dependence of the mean squared displacement in time. Otherwise, when the exponent is diferent than one , there is what is called anomalous diffusion. If it is bigger than one, the process is superdiffusive, and if it is smaller than one, subdiffusive. To study the mechanical behavior of complex systems,micro and nanospheres can be used as analysis elements. These spheres are arranged in the material to be studied, and from observation of the dynamics is possible to characterize the leading process of this dynamic and therefore infer physical properties of the material. In this work, particle tracking techniques, for microscopic and nanoscopic spheres, are applied to study dynamic properties of cells, especially diffusivity, remodeling of the cell structure and force fields. For that we used two experimental techniques of tracking of micro and nanospheres, and phenomenological and statistical mechanics models. These dynamic properties have a great similarity to soft glassy materials. In this context, certain cellular functions such as division, contraction, diffusion, require that cells present fluidity similarly to a liquid, while for other functions, such as keeping the cellular structure, they should have a stiffer appearance. These characteristics resemble a glassy material, where disorder and metastability are underlying characteristics of their mechanical functions. The experimental results presented here show this metastability as anomalies and temporal correlations of the various data collected. We also explain the experimental data found in terms of metabolic activity and the active remodeling of the cytoskeleton. Also data obtained for heart muscle in full pulsatile activity is showed. The results obtained have direct applications in basic and clinical research.
 
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TextoFinal5_vfinal.pdf (13.53 Mbytes)
Data de Publicação
2017-05-26
 
AVISO: O material descrito abaixo refere-se a trabalhos decorrentes desta tese ou dissertação. O conteúdo desses trabalhos é de inteira responsabilidade do autor da tese ou dissertação.
  • ALENCAR, A. M., REDOSCHI, E. M., and FERRAZ, M. S. A. Finding the Viscoelastic Modulus by Tracking the Spontaneous Diffusion of Microbeads in Live Cells. In American Thoracic Society International Conference, San Francisco, CA, 2012. Am J Respir Crit Care Med., 2012. Abstract.
  • FERRAZ, M. S. A., and ALENCAR, A. M. Anomalous Diffusion of Microbeads in Live Cells: the Probability of Rare Events. In Encontro de Física da Matéria Condensada, Foz do Iguaçu, 2011. Anais do Encontro de Física da Matéria Condensada., 2011. Abstract.
  • FERRAZ, M. S. A., e ALENCAR, A. M. Anomalous diffusion of microspheres in the calculation of viscoelasticity and reorganization of cytoskeleton. In Perspectives and Challenges in Statistical Physics and Complex Systems for the Next Decade: A Conference in Honor of Eugene Stanley and Liacir Lucena, Natal, RN, 2011. Proccedings of Perspectives and Challenges in Statistical Physics and Complex Systems for the Next Decade., 2011. Resumo. Dispon?vel em: http://fisica.ufpr.br/gene-liacir-conference/.
  • FERRAZ, M. S. A., e Alencar, A. M. Model for the Dynamics of the Cytoskeleton. In Encontro Nacional de Fisica da Materia Condensada, Aguas de Lindoia/SP, 2013. Anais do ENFMC., 2013. Resumo. Dispon?vel em: http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/enfmc/xxxvi/sys/resumos/R0785-2.pdf.
  • FERREIRA, M. Z. J., et al. Anomalous Diffusion Evidenced by Particle Tracking at High Frame Rates. In Encontro Nacional de Fisica da Materia Condensada, Aguas de Lindoia/SP, 2013. Anais do ENFMC., 2013. Resumo. Dispon?vel em: http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/enfmc/xxxvi/sys/resumos/R0785-1.pdf.
  • FERRAZ, M. S. A., and ALENCAR, A. M. Rheological Properties of Lung Surfactants by Particle Tracking. In Encontro Nacional de Física da Matéria Condensada, Aguas de Lindoia, 2012. Proccedings of ENFMC., 2012. Abstract.
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