Universität zu Köln

Dasgupta, Sabyasachi (2014). Particles at Membranes and Interfaces. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Soft surfaces experience morphological changes upon interaction with objects at various length scales. Two important classes of soft surfaces are membranes and interfaces. In presence of particles, through surface-mediated interactions soft surfaces exhibit diverse phenomena in nature. A fluid membrane which acts as a protective periphery enclosing cellular material can be described as a two dimensional mathematical surface characterized by `bending elasticity' and `membrane tension'. Similarly, interfaces at the boundary of two liquid phases or a liquid and a gas phase are characterized by their interface tension. Interestingly, a close interplay of the deformation energy of these soft surfaces and the geometry and form of the particles allows the particles to interact. Thus, the study of interactions of particles with membranes and interfaces forms the basis of this work. The mechanistic aspects of cellular entry via membrane wrapping for particles of various geometries are studied theoretically and numerically. Such systems are characterized by the membrane bending rigidity, the membrane tension, and the adhesion strength. The different wrapping states exhibited are ``non wrapped", ``partially wrapped" (with low and high wrapping fraction), and ``completely wrapped". There are two kinds of phase boundaries: a continuous binding transition and a discontinuous transition either between two partially-wrapped states or from a partially-wrapped to a completely wrapped state. The theoretical analysis predicts stable partially wrapped states for nonspherical particles. Nonspherical particles having flat sides can show preferential initial binding though the decisive factor for encapsulation is the ratio of the width to the length of the particles and the softness of its edges. Wrapping energy contributions of the erythrocyte membrane to the invasion energetics for a malarial merozoite that has an asymmetric ``egg-like'' shape is assessed. Furthermore cell adhesion to nanopatterned substrates is characterized to predict optimal shapes of 3D nanoelectrodes for efficient coupling to cells using deformation energy calculations. For a fluid interface dominated by an interfacial tension, self-assembly via capillary interactions for micron-sized nonspherical particles is reported. A nonspherical particle can induce interface distortion due to an undulating contact line creating excess interfacial area. Neighboring particles interact to minimize the excess area via long-range interface-mediated capillary forces. The particle-induced interface distortion due to single ellipsoidal or cuboidal particles are calculated. The near-field nature of the capillary interactions between a pair of particles in different relative orientations is characterized using power-law fits.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Weiche Flächen erfahren bei der Wechselwirkung mit Teilchen verschiedener Größenskalen morphologische Veränderungen. Zwei wichtige Klassen weicher Flächen sind Membranen und Grenzflächen. Eine fluide Membran, die als schützende Hülle zelluläres Material einschließt, kann als zweidimensionale mathematische Fläche, deren mechanische Eigenschaften durch die Biegesteifigkeit und die Membranspannung gegeben sind, beschrieben werden. Analog hierzu wird eine Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten oder zwischen einer flüssigen Phase und einer Gasphase durch eine mathematische Fläche und die Grenzflächenspannung modelliert. Interessanterweise kann ein enges Wechselspiel der Deformationsenergie der weichen Flächen mit der Geometrie und der Form der Teilchen zu einer Wechselwirkung zwischen den Teilchen führen. Die Untersuchung der Wechselwirkung der Teilchen mit Membranen und Grenzflächen ist die gemeinsame Grundlage für alle Teile dieser Arbeit. Die mechanischen Aspekte der Aufnahme von Teilchen in eine Zelle durch Einwickeln in die Zellmembran werden für Teilchen verschiedener Formen theoretisch und numerisch untersucht. Diese Systeme sind durch die Biegesteifigkeit der Membran, durch die Membranspannung und durch die Bindungsstärke charakterisiert. Die Zustände des Systems können "nicht eingewickelt", "teilweise eingewickelt" (mit geringem und hohem eingewickelten Anteil) und "komplett eingewickelt" sein. Es treten zwei Arten von Phasengrenzen zwischen den Zuständen auf, kontinuierliche Bindungsübergänge und diskontinuierliche übergänge zwischen zwei teilweise eingewickelten Zuständen oder zwischen einem teilweise eingewickelten und einem komplett eingewickelten Zustand. Die theoretischen Berechnungen in dieser Arbeit sagen für asphärische Teilchen stabile teilweise eingewickelte Zustände voraus. Asphärische Teilchen mit flachen Seiten binden leichter an Membranen als sphärische Teilchen, das komplette Einwickeln eines Teilchens wird jedoch durch dessen Aspektverhältnis und durch die Weichheit seiner Kanten bestimmt. Der energetischen Kosten der Membrandeformation der roten Blutkörperchen für das Eindringen des eiförmigen Malariaparasiten in die Zelle wird numerisch berechnet. Ebenfalls mit Hilfe von Biegeenergieberechnungen wird die optimale Form dreidimensionaler Elektroden auf nanostrukturierten Oberfächen für die beste Kopplung der Zellen an die Elektroden vohergesagt. An Grenzfächen wird durch die Grenzflächenspannung die Selbstorganisation von mikrometergrossen Teilchen durch Kapillarwechselwirkungen beobachtet. Ein aspärisches Teilchen verformt durch seine undulierende Kontaktline die Grenzfläche in seiner Umgebung, wodurch die Grenzfläche vergrößert wird. Benachbarte Teilchen wechselwirken durch langreichweitige Kapillarkräfte, um diese zusätzliche Grenzfläche zu minimieren. Die durch Teilchen induzierte Grenzflächenverformung wird für ellipsoidförmige und quaderförmige Teilchen berechnet. Die Kapillarwechselwirkung zwischen zwei Teilchen mit verschiedenen relativen Orientierungen wird im Nahfeld durch Potenzgesetze charakterisiert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Dasgupta, Sabyasachi ferrocyanide@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-58555
Date:	25 November 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Membrane wrapping, Biological Physics, Biomembrane, Lipid Bilayers, Nanoparticle, Cellular Uptake, Endocytosis, Malaria, Cell adhesions, Soft Matter, Biophysics , Bilayer, Nanostructured Interfaces UNSPECIFIED
Date of oral exam:	22 May 2014
Referee:	Name Academic Title Gompper, Gerhard Prof. Dr. Laessig, Michael Prof. Dr. Schwarz, Ulrich Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5855