Modeling and simulation of the interaction between particles and pulmonary mucus

Abstract

The aim of this thesis was to simulate the interaction of particles with the protective barrier of the lung, the mucus layer. Beginning with different diffusion models to simulate the particle movement inside the mucus network, we also measured and compared the rheological properties of mucus from different organs of the same species. Using the results from these experiments, we simulated the deformation of the mucus structure. We used computational fluid dynamic (CFD) methods to simulate the air flow in the upper airways during inhalation and to calculate the kinetic energy of aerosol particles, which are transported by the convective air flow to depose at the mucus layer. Finally, we did some experiments with fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) methods to visualize the diffusion of particles in mucus and also the structure of this biological barrier. By applying our model, we were able to determine the diffusivity of particles in complex, heterogeneous materials, only by assuming few parameters. So, in this thesis we showed various models to simulate the interaction, mainly the diffusion, of particles with pulmonary mucus, beginning with the inhalation and deposition of the particles in the lung and at the mucus layer.

Das Ziel dieser Thesis war die Simulation der Interaktion von Partikeln mit der schützenden Barriere der Lunge, der Mukusschicht. Angefangen mit verschiedenen Diffusionsmodellen um die Partikelbewegung innerhalb des Mukus-Netzwerks zu simulieren, haben wir auch die rheologischen Eigenschaften von Mukus aus verschiedenen Organen der gleichen Spezies gemessen und verglichen. Wir simulierten die Deformation der Mukus-Struktur mithilfe der Ergebnisse dieser Experimente. Wir benutzten CFD Methoden um den Luftstrom in den oberen Atemwegen während der Inhalation zu simulieren und um die kinetische Energie von Aerosol-Partikel zu berechnen, die durch den konvektiven Luftstrom transportiert werden um sich auf der Mukusschicht abzusetzen. Letztendlich führten wir noch Experimente mit FRAP Methoden durch, um die Diffusion von Partikel in Mukus und auch die Struktur dieser biologischen Barriere darzustellen. Durch die Anwendung unseres Modells sind wir in der Lage die Diffusivität von Partikeln in komplexen, heterogenen Materialien, alleine mit der Annahme weniger Parameter zu bestimmen. In dieser Thesis zeigten wir unterschiedliche Modelle um die Interaktion, hauptsächlich die Diffusion, von Partikeln mit pulmonalem Mukus zu simulieren, angefangen bei der Inhalation und Ablagerung von Partikeln in der Lunge und auf der Mukusschicht.