Computer simulations of Red Blood Cells and proteins interacting with nanostructured surfaces

Abstract

Les propietats físiques de les superfícies antimicrobianes s'han estudiat mitjançant dos models teòrics diferents. El primer enfocament, Random Sequential Adsorption (RSA), descriu el primer pas de qualsevol entitat estrangera que entri al cos humà: adsorció de proteïnes. Demostrem que les propietats bactericides de les superfícies nanoestructurades no es veuen compromeses amb la colonització de la proteïna més abundant en sang, l'Albúmina de sèrum humà. A aquest efecte, desenvolupem una extensió a RSA per fer front a geometries complexes, i utilitzar-les per provar diferents superfícies de models. El segon enfocament estudia la interacció real de les cel·les amb aquestes superfícies. Utilitzem dinàmiques moleculars de gra gruixut per investigar les cèl·lules vermelles de la sang, que representen un compromís òptim entre simplicitat computacional i modelització realista, a més de ser motiu de preocupació per l'aplicabilitat de les superfícies antimicrobianes en la medicina, a causa de la ruptura de la membrana observada en experiments. Demostrem que la ruptura no és causada per la perforació dels cims de les superfícies, sinó per les importants deformacions que condueixen a l'excés d'extensió. Aquest efecte es pot disminuir variant el disseny de les superfícies, en particular les seves dimensions.

Las propiedades físicas de las superficies antimicrobianas se han estudiado utilizando dos modelos teóricos diferentes. El primer enfoque, la Adsorción Secuencial Aleatoria (RSA), describe el primer paso de cualquier entidad extraña que ingrese al cuerpo humano: la adsorción de proteínas. Demostramos que las propiedades bactericidas de las superficies nanoestructuradas no se ven comprometidas tras la colonización de la proteína más abundante en la sangre, la albúmina sérica humana. Para este propósito, desarrollamos una extensión a RSA para tratar geometrías complejas, y lo usamos para probar varias superficies de modelos diferentes. El segundo enfoque estudia la interacción real de las células con dichas superficies. Utilizamos la dinámica molecular de grano grueso para investigar los glóbulos rojos, que representan un compromiso óptimo entre simplicidad computacional y modelado realista, además de ser motivo de preocupación por la aplicabilidad de las superficies antimicrobianas en medicina, debido a la rotura de la membrana observada en los experimentos. Demostramos que la ruptura no es causada por la perforación de los picos en las superficies, sino más bien por las importantes deformaciones que conducen a la sobreextensión. Este efecto puede disminuirse variando el diseño de las superficies, en particular sus dimensiones.

Physical properties of antimicrobial surfaces have studied using two different theoretical models. The first approach, Random Sequential Adsorption (RSA), describes the first step of any foreign entity entering the human body: protein adsorption. We demonstrate that the bactericidal properties of nanostructured surfaces are not compromised upon colonisation of the most abundant protein in blood, Human Serum Albumin. For this purpose, we develop an extension to RSA to deal with complex geometries, and use it to test several different model surfaces. The second approach studies the actual interaction of cells with said surfaces. We use Coarse-grained Molecular Dynamics to investigate Red Blood Cells, which represent an optimal compromise between computational simplicity and realistic modelling, in addition to be cause of concern for the applicability of antimicrobial surfaces in medicine, due to the membrane rupture observed in experiments. We demonstrate that the rupture is not caused by the piercing of the peaks on the surfaces, but rather by the important deformations leading to over-extension. This effect can be diminished by varying the design of the surfaces, in particular their dimensions.