The propulsion mechanics driving the movement of living cells constitutes one of the most incredible engineering works of nature. Active cell motility via the controlled movement of a flagellum beating is among the phylogentically oldest forms of motility, and has been retained in higher level organisms for spermatozoa transport. Despite this ubiquity and importance, the details of how each structural component within the flagellum is orchestrated to generate bending waves, or even the elastic material response from the sperm flagellum, is far from fully understood. By using microbiomechanical modelling and simulation, we develop bio-inspired mathematical models to allow the exploration of sperm motility and the material response of the sperm flagellum. We successfully construct a simple biomathematical model for the human sperm movement by taking into account the sperm cell and its interaction with surrounding fluid, through resistive-force theory, in addition to the geometrically non-linear response of the flagellum elastic structure. When the surrounding fluid is viscous enough, the model predicts that the sperm flagellum may buckle, leading to profound changes in both the waveforms and the swimming cell trajectories. Furthermore, we show that the tapering of the ultrastructural components found in mammalian spermatozoa is essential for sperm migration in high viscosity medium. By reinforcing the flagellum in regions where high tension is expected this flagellar accessory complex is able to prevent tension-driven elastic instabilities that compromise the spermatozoa progressive motility. We equally construct a mathematical model to describe the structural effect of passive link proteins found in flagellar axonemes, providing, for the first time, an explicit mathematical demonstration of the counterbend phenomenon as a generic property of the axoneme, or any cross-linked filament bundle. Furthermore, we analyse the differences between the elastic cross-link shear and pure material shear resistance. We show that pure material shearing effects from Cosserat rod theory or, equivalently, Timoshenko beam theory or are fundamentally different from elastic cross-link induced shear found in filament bundles, such as the axoneme. Finally, we demonstrate that mechanics and modelling can be utilised to evaluate bulk material properties, such as bending stiffness, shear modulus and interfilament sliding resistance from flagellar axonemes its constituent elements, such as microtubules.

No description available.

Οι καρδιαγγειακές παθήσεις αποτελούν την κύρια αιτία θανάτου στις αναπτυγμένες χώρες. Η στένωση σε μία αρτηρία, είτε αυτή προκαλείται από μία πάθηση όπως το ανεύρυσμα, είτε προκαλείται από μία περίδεση, όπως στις περιπτώσεις των συγγενών καρδιοπαθειών, μπορεί να μεταβάλλει σε σημαντικό βαθμό τα χαρακτηριστικά της ροής του αίματος. Η μελέτη της φυσιολογικής παλλόμενης ροής μέσα από στένωση είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη διάγνωση και αντιμετώπιση των αγγειακών νόσων. Το ιατρικό πρόβλημα το οποίο εξετάζουμε στην παρούσα εργασία, είναι η στένωση της πνευμονικής αρτηρίας από περίδεση. Η περίδεση γίνεται προφανώς για να μειωθεί η υψηλή αρτηριακή πίεση και τελικά η ροή του αίματος προς τους πνεύμονες. Πρόκειται για μία χειρουργική μέθοδο αντιμετώπισης συγγενών καρδιοπαθειών. Η περίδεση της πνευμονικής αρτηρίας (pulmonary artery banding - PAB) είτε με συμβατικό τρόπο, ή με την πλέον σύγχρονη μέθοδο μέσω της συσκευής FloWatchTM προκαλεί τη στένωσή της. Με τον συμβατικό τρόπο η στένωση μπορεί να θεωρηθεί αξονικά συμμετρική, ωστόσο με τη χρήση του FloWatchTM είναι μη αξονικά συμμετρική. Έχει αποδειχθεί ότι τόσο η αξονικά συμμετρική, όσο και η μη συμμετρική περίδεση δημιουργεί διαφόρου βαθμού ίνωση του τοιχώματος της πνευμονικής αρτηρίας. Η αναδόμηση της πνευμονικής αρτηρίας είναι πολύ ηπιότερη στην περίπτωση της περίδεσης με το FloWatchTM. Η διαφοροποίηση αυτή έγκειται κυρίως στο ότι η συμβατική περίδεση προκαλεί για συγκεκριμένη μείωση της διατομής ισχυρότερη μείωση της περιμέτρου της διατομής από εκείνης της περίδεσης με το FloWatchTM. Στην παρούσα εργασία γίνεται αναφορά και ανάλυση των διαφόρων περιπτώσεων ροής σε στενώσεις αρτηριών, των συγγενών καρδιοπαθειών και των τεχνικών περίδεσης της πνευμονικής αρτηρίας. Επιπρόσθετα, μελετήθηκαν και υπολογίστηκαν η μόνιμη και η παλλόμενη ροή σε αξονικά συμμετρική 25% στένωση προκαλούμενη από συμβατική περίδεση, καθώς και η μόνιμη και παλλόμενη ροή σε μη συμμετρική 25% στένωση της πνευμονικής αρτηρίας όπως προκαλείται από το FloWatchTM, μέσω των πακέτων Fluent και Gambit. Η υπολογιστική μελέτη του πεδίου ροής περιλαμβάνει την κατανομή ταχυτήτων, τον προσδιορισμό των περιοχών ανακυκλοφορίας, την κατανομή των πιέσεων και την σύγκριση των παραπάνω μεγεθών με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας. Τέλος, με βάση τα αποτελέσματα γίνεται η σύγκριση των δύο μελετούμενων μεθόδων περίδεσης. Αριθμητικά ρεαλιστικά δεδομένα ελήφθησαν από την καρδιοχειρουργική κλινική του νοσοκομείου Παίδων «Αγία Σοφία». / Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries. A stenosis in an artery , caused either by a disease such as an aneurism or by a banding (such as in congenital diseases) can change the characteristics of the blood flow very seriously. The study of the physiological pulsatile flow through a stenosis is very important for the diagnosis and treatment of the arterial diseases. The medical problem which is examined in this study is pulmonary artery stenosis caused by a banding. The banding takes place to reduce the high arterial pressure and finally the blood flow from the heart to the lungs. It is a surgical method used for treatment of congenital heart diseases. The pulmonary artery banding either with the use of the conventional method or the most modern with the use of the FloWatchTM technology causes stenosis of the artery. With the conventional method, stenosis can be considered axially symmetrical while with the use of FloWatchTM it is asymmetrical. It has been proven that both the axially symmetrical and asymmetrical banding cause fibrosis of the pulmonary artery walls of different degrees. The reconstruction of the pulmonary artery is milder where there is banding with FloWatchTM. This differentiation is based mainly on the fact that the conventional banding causes, for a specific decrease of the cross-section, a decrease in the perimeter of the cross-section higher than that of banding with FloWatchTM. In this assignment there is a report of different cases of flow in arterial stenosis, in congenital heart diseases and pulmonary banding techniques. In addition what was studied and appreciated was the steady and pulsatile flow in axially symmetrical 25% stenosis caused by the conventional banding, as well as the steady and pulsatile flow in asymmetrical 25% stenosis of pulmonary artery caused by FloWatchTM with the use of Fluent and Gambit. The numerical study of flow distribution includes velocity distribution, designation of back flow area, distribution of pressure and comparison of these quantities with the results in bibliography. Finally, based on the results, there is a comparison of the two banding methods under study. The numerical realistic data were received from the cardio-surgical clinic of children’s hospital “Aghia Sophia”.