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Efeito da aplicação tópica do gel contendo lipossomas com carvacrol sobre a nocicepção orofacial em camundongos

Oliveira, Adalúcia Correia de 17 July 2013 (has links)
Orofacial pain, although it is a problem that affects the quality of life of millions of people, is still poorly understood and, consequently, its treatment are difficult to predict. This treatment usually involves systemic pharmacotherapy, in most cases, it is accompanied by various side effects. Thus, the present study aimed to evaluate the pharmacological effect of topical application of a gel containing carvacrol on liposomes induced orofacial nociception in mice. First, we performed the test orofacial nociception induced by administration of 2% formalin into the upper lip of mice and then this tissue was removed for measuring the activity of myeloperoxidase (MPO). In the test described above, applying the carbopol gel (control group) or gel with liposomes containing carvacrol (1% and 5%) were performed 1 h before the induction of nociceptive orofacial; reference drug (diclofenac diethylammonium in gel form) was administered 2 hours before the induction of nociception. It was observed that at a concentration of 1%, the gel containing liposomes with carvacrol reduced the nociceptive behavior of scratching the orofacial region (34.4 ± 4.6 s, p <0.05) compared to the control group (74.1 s ± 4.6, p <0.05) is equivalent to the reduction observed in the group that was used reference drug (diclofenac diethylammonium gel - 34.0 ± 7.3 s, p <0.05). The gel 1% carvacrol was also able to reduce the activity of the enzyme MPO (0.7 ± 0.1 UMPO / mg tissue, p <0.05) compared to the control group (2.0 ± 0.3 UMPO / mg tissue, p <0.05) and behaved similarly to diclofenac diethylammonium group gel (0.5 ± 0.2 UMPO / mg tissue, p <0.05). Thus, it is concluded that the carvacrol gel containing liposomes at a concentration of 1% was effective in the control of nociception induced by formalin and had an important effect on cell migration at low concentrations suggesting that the gel containing liposomes has an effect carvacrol topic in the therapy of painful processes associated with orofacial region. However, such phenomena were not observed at 5% concentration. / A dor orofacial, embora seja um problema que prejudica a qualidade de vida de milhões de pessoas, ainda é pouco compreendida e, consequentemente, seu tratamento é de difícil prognóstico. Este tratamento normalmente envolve farmacoterapia sistêmica que, na maioria das vezes, vem acompanhada de diversos efeitos colaterais. Desta forma, o presente estudo visou avaliar farmacologicamente o efeito da aplicação tópica de um gel contendo lipossomas com carvacrol sobre a nocicepção orofacial induzida em camundongos. Primeiramente, foi realizado o teste de nocicepção orofacial induzido pela administração de formalina 2% em lábio superior de camundongos e em seguida este tecido foi removido para a mensuração da atividade da enzima mieloperoxidase (MPO). No teste acima descrito, a aplicação do gel de carbopol (grupo controle), ou gel contendo lipossomas com carvacrol (1% e 5%) foram realizados 1 h antes da indução da nocicepção orofacial; a droga referência (diclofenaco dietilamônio na forma farmacêutica de gel) foi aplicada 2 h antes da indução da nocicepção. Foi observado que, na concentração de 1%, o gel contendo lipossomas com carvacrol reduziu o comportamento nociceptivo de coçar a região orofacial (34,4 ± 4,6 s, p < 0,05) em relação ao grupo controle (74,1 ± 4,6 s, p < 0,05) sendo equivalente à redução observada no grupo em que foi utilizada a droga de referência (diclofenaco dietilamônio gel - 34,0 ± 7,3 s, p < 0,05). O gel de carvacrol a 1% também foi capaz de reduzir a atividade da enzima MPO (0,7 ± 0,1 UMPO / mg de tecido, p < 0,05) em relação ao grupo controle (2,0 ± 0,3 UMPO / mg de tecido, p < 0,05) e se comportou de forma semelhante ao grupo do diclofenaco dietilamonio gel (0,5 ± 0,2 UMPO / mg de tecido, p < 0,05). Dessa forma, conclui-se que o gel contendo lipossomas com carvacrol na concentração de 1% foi eficaz no controle da nocicepção induzida por formalina e teve importante efeito sobre a migração celular, sugerindo que em baixas concentrações o gel contendo lipossomas com carvacrol tem um efeito tópico na terapia de processos dolorosos associados à região orofacial. No entanto, não foram observados tais fenômenos na concentração de 5%.
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Desenvolvimento de lipossomas vetorizados ao receptor folato contendo paclitaxel e imatinibe coencapsulados: avaliação da atividade antiproliferativa e da expressão gênica do VEGF em células tumorais / Development of folate receptor vector liposomes containing coencapsulated paclitaxel and imatinib: evaluation of antiproliferative activity and gene expression of VEGF in tumor cells

Peres Filho, Marco Júnio 30 April 2014 (has links)
Submitted by JÚLIO HEBER SILVA (julioheber@yahoo.com.br) on 2017-06-09T20:26:25Z No. of bitstreams: 2 Tese - Marco Júnio Peres Filho - 2014.pdf: 2890867 bytes, checksum: 94c9616394d6a389aadabf3d9a0b128c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-06-12T12:31:24Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Marco Júnio Peres Filho - 2014.pdf: 2890867 bytes, checksum: 94c9616394d6a389aadabf3d9a0b128c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-12T12:31:24Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - Marco Júnio Peres Filho - 2014.pdf: 2890867 bytes, checksum: 94c9616394d6a389aadabf3d9a0b128c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2014-04-30 / The impact of Nanotechnology is constantly raising in different areas of science, with the development of new products that bring benefits in comparison with the alternatives available in the market. When encapsulated in nanoparticles, anticancer drugs can achieve several advantages, most importantly the possibility of reducing the amount of drug administered through targeting strategies, which are not accomplished by conventional medication. Passive targeting is related to leaky vasculature in pathological sites, and active targeting comprehends the attachment of specific ligands, anchored in nanoparticles surface, to recognize and bind receptors overexpressed in cancer cells. Coencapsulation of anticancer drugs in the same pharmaceutical carrier can coordinate pharmacokinetics of encapsulated drugs. In the present work, liposomal formulations targeted to folate receptor with paclitaxel (PTX) and imatinib (IB) coencapsulated were obtained, aiming to combine cytotoxic and antiangiogenic effects of the drugs, respectively. New analytical method was developed and validated for simultaneous quantification of IB and PTX. Soy phosphatidylcholine liposomes were prepared, with cholesterol and DSPEmPEG( 2000), to obtain long circulation particles. DSPE-PEG(2000)-FA was obtained by an unpublished method of synthesis, and this product was further used in the formulation by post-insertion technique. Cytotoxic effect and VEGF gene suppression were studied in vitro in two different cell lines, MCF7 (breast adenocarcnioma) and PC3 (prostatic adenocarcinoma), after treatment with liposomal vesicles. Analytical procedures were developed with isocratic elution, 6,5 minutes runs, with linearity, specificity, precision and accuracy. Quantification limit was 750 Ng/mL and 1000 Ng/mL for IB and PTX, respectively. After extrusion, liposomes had mean diameter close to 100 nm and low polidispersion index. Post-insertion of folic acid attached to lipid anchor procedure increased polidispersion, because the procedure lasted 24h. Drug to lipid ratios were 1:26 and 1:27 (IB and PTX respectively). Lyophilized formulations containing trehalose remained stable after 60 days of storage in terms of %EE. Synthesis of DSPE-PEG(2000)-FA was confirmed by RMN, FT-IR and ESIMS techniques. Liposomal PTX was more cytotoxic (p<0,05) than free drug in MCF7 cell line, after both 24h and 48h of exposion, for all tested concentrations. Targeted formulation containing folic acid ligand, had more impact on cell viability reduction (p<0,05) than non targeted liposomes (LPIP), also after 24h. On PC3 cell line cell viability reduction was greater (p<0,01) when the cells were exposed to targeted vesicles loaded with 1 and 10 Ng/mL of IB and PTX, after 24 and 48h. VEGF gene expression was reduced in MCF7 and PC3 (p<0,05), and once more targeted vesicles showed better results than non-targeted liposomes. It is, thus, plausible to conclude, through in vitro experiments results, that the attachment of folic acid to liposomal formulations, resulting in multi-functional liposomes, is an interesting strategy to achieve enhanced internalization and accumulation of drugs in targeted cells. This was observed by the enhancement of cytotoxic and antiangiogenic effects in breast and prostate cell lines. / A nanotecnologia tem ganhado cada vez mais destaque em várias áreas da ciência, no sentido de desenvolver novos produtos que possam trazer benefícios em comparação com alternativas já existentes no mercado. Uma série de vantagens emergem da nanoencapsulação de fármacos quimioterápicos, principalmente, a possibilidade de diminuição da dose administrada através de estratégias de direcionamento. Dentre elas, podem ser citadas a vetorização passiva, relacionada ao aumento da permeabilidade vascular em regiões tumorais, e a vetorização ativa, que significa o uso de ligantes específicos, cujos receptores são superexpressos em células tumorais, e que ficam ancorados na superfície de nanoestruturas. A coencapsulação de fármacos antitumorais é altamente relevante, uma vez que permite a utilização de diferentes abordagens para eliminação de tumores e a sincronização da farmacocinética dos agentes coencapsulados. No caso deste trabalho, o objetivo foi a associação do efeito citotóxico do paclitaxel (PTX) ao efeito antiangiogênico do imatinibe (IB), encapsulados no mesmo lipossoma direcionado para o receptor folato, superexpresso em vários tumores sólidos. Foi desenvolvido e validado novo método analítico para quantificação simultânea do IB e do PTX. Os lipossomas foram desenvolvidos usando fosfatidilcolina de soja (PC) como lipídio estrutural, colesterol e DSPE-mPEG(2000), este último para conferir efeito de longa circulação. Foi desenvolvido método inédito de síntese da molécula DSPEPEG( 2000)-AF, âncora lipídica ligada ao ácido fólico destinada a biorreconhecimento. Essa molécula foi adicionada à formulação por pós-inserção. Os nanossistemas obtidos foram testados in vitro quanto à citotoxicidade e quanto à inibição da expressão gênica de VEGF em células de adenocarcinoma mamário (MCF7) e de próstata (PC3). O método analítico foi isocrático, com corrida de apenas 6,5 minutos, linear, seletivo, preciso e exato, com limite de quantificação 750 Ng/mL para o IB e 1000 Ng/mL para o PTX. Os lipossomas tiveram diâmetro médio próximo de 100 nm e baixo índice de polidispersão. Apenas após a inserção da âncora ligada ao ácido fólico as amostras ficaram mais polidispersas, devido ao tempo de agitação desse processo (24 h). O IB foi encapsulado na razão molar fármaco:lipídio 1:26 e o PTX na razão 1:27. As formulações liofilizadas, usando o crioprotetor trealose, mantiveram a estabilidade em termos de %EE após 60 dias de armazenamento. O método desenvolvido para síntese do componente DSPEPEG( 2000)-AF foi bem sucedido, o que pôde ser verificado através dos espectros de RMN, FT-IR e IES-EM, que evidenciam a formação de uma nova substância a partir dos reagentes, que tem as características químicas esperadas. O paclitaxel lipossomal foi mais citotóxico (p<0,05) para a linhagem MCF7, tanto em 24h como em 48h, em comparação com o fármaco livre, em todas as concentrações testadas. A formulação vetorizada com a âncora ligada ao ácido fólico, com IB e PTX coencapsulados, foi mais citotóxica (p<0,05) que a não vetorizada (LPIP) nas concentrações testadas, no tempo 24 h. Na linhagem PC3 a redução da viabilidade celular causada pela vetorização ativa, em comparação com o resultado da formulação não vetorizada, foi ainda maior (p<0,01) tanto em 24 como em 48h, nas concentrações 1 e 10 Ng/mL. Houve redução, nas linhagens MCF7 e PC3, da expressão gênica de VEGF, e também nesse caso o tratamento com a formulação vetorizada causou maior efeito em comparação com a não vetorizada (p<0,05). É razoável chegar-se à conclusão, através dos testes in vitro, de que o direcionamento de fármacos nanoencapsulados ao receptor folato, através do emprego de lipossomas multi-funcionais, é uma estratégia interessante no sentido de aumentar a quantidade de fármaco que entra nas células, o que pôde ser observado através do aumento dos efeitos citotóxico e anti-angiogênico em linhagens tumorais de mama e próstata.
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Desenvolvimento de lipossomas deformáveis para administração Transdérmica de remifentanil / Deformable liposomes development for remifentanil transdermal administration

Glauco Henrique Balthazar Nardotto 16 October 2009 (has links)
O remifentanil é um opióide potente comparável ao fentanil, mas, possui rápida eliminação plasmática e por isso necessariamente deve ser adiministrado por infusão contínua. A administração transdérmica pode liberar fármacos de forma prolongada, contínua e controlada. Características que facilitariam a administração do remifentanil, contornariam sua limitação farmacocinética e ampliariam os casos em que este fármacos seria útil. Lipossomas deformáveis são formados por fosfolipídios e por tensoativo que normalmente é um surfactante de cadeia simples que aumenta a flexibilidade da bicamada lipídica da membrana e torna os lipossomas deformáveis. Os lipossomas deformáveis são capazes de disponibilizar, de forma expressiva, várias substâncias transdermicamente incluindo macromoléculas e podem ser um eficiente sistema de liberação controlada de remifentanil. O presente estudo desenvolve diferentes dispersões de lipossomas deformáveis de remifentanil e caracteriza essas dispersões quanto a tamanho de diâmetro dos lipossomas, eficiência de encapsulação dos lipossomas, elasticidade da membrana, permeação e retenção cutânea in vitro. As dispersões de lipossomas deformáveis preparadas foram compostas por remifentanil, fosfatidilcolina de soja, tensoativo tween 80 ou tween 20 e etanol a 10% ou a 20% e foram preparadas por dois métodos: sonicação e hidratação de filme e sonicação. O tamanho e a distribuição de tamanho foram obtidos por espalhamento dinâmico de luz, a eficiência de encapsulação por diálise, a elasticidade por filtração, seguido de determinação do tamanho. Células de difusão de Franz e pele de orelha de porco foram usadas para estudar a permeação e a retenção cutânea in vitro. Os lipossomas deformáveis preparados apresentaram pequeno diâmetro (40 a 71 nm) quando comparado a outros na literatura e seus tamanhos foram dependentes da formulação. Todos os lipossomas deformáveis preparados apresentaram boa elasticidade e permeação dependente da eficiência de encapsulação e do tamanho de diâmetro. A solução hidroetanólica com remifentanil e a mistura física dos excipientes com remifentanil não apresentaram permeação e retenção. A eficiência de encapsulação dos lipossomas deformáveis é coerente com outros resultados na literatura e foi dependente da formulação e do método de preparação. A avaliação da permeação de dispersões de lipossomas deformáveis com remifentanil não encapsulado foi feita para se obter informações sobre os mecanismos de ação pelos quais estes lipossomas agem. Verificou-se que o transporte de substâncias encapsuladas nos lipossomas foi o mecanismo de maior importância / Remifentanil is a potent opioid comparable to fentanyl. Remifentanil has rapid systemic elimination and, therefore, it necessarily has to be administered by continuous parenteral infusion. Transdermal delivery can provide extended, continuous and controlled delivery of drug. Characteristics that could make the remifentanil administration easier, could resolve its phamacocinetcs limitation and could enlarge the cases that this drug would be useful. Deformable liposomes consist of phospholipid and surfactant that is often a single chain surfactant that increases the membrane lipid bilayer flexibility and makes the liposome deformable. Deformable liposomes are able to expressively improve skin delivery of many drugs, including macromolecules and could be an efficient controlled delivery system of remifentanil. The aim of this study has been to develop different deformable liposomes dispersions of remifentanil and to characterize those dispersions by liposome diameter size, liposome entrapment efficiency, membrane elasticity and in vitro skin permeation and deposition. The deformable liposomes consisted of remifentanil, soybean phosphatidylcholine, surfactant tween 80 or tween 20, and ethanol at 10% or 20%. They have been prepared by two methods: sonication or conventional mechanical dispersion and sonication. The size was determined by light scattering, the entrapment efficiency by dialysis, the membrane elasticity by filtration and size determination. Franz diffusion cells and ear porcine skin wore used to evaluate the in vitro skin permeation and the skin deposition. The deformable liposomes showed small size (40 a 71 nm) compared with others from literature and their sizes wore dependent of the formulation. All deformable liposomes showed good membrane elasticity and showed permeation that was dependent of the formulation and diameter size. The remifentanil hidroetanolic solution and the excipients physical mixture with remifentanil did not have any permeation and retention. The deformable liposomes entrapment efficiency has been coherent with others literature results and also was dependent of the formulation and preparation method. The permeation of deformable liposomes dispersions wore evaluated to get information about the deformable liposome action mechanisms. The transport of encapsulated substances on liposome was the action mechanism of major importance.
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Criopreservação de sêmen de galos / Roosters sperm cryopreservation

Laan, Guilherme Martino Van Der 30 November 2007 (has links)
Made available in DSpace on 2014-08-20T13:32:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_guilherme_van_der_laan.pdf: 723829 bytes, checksum: 399e8e1ec5f5ec9b7f77f1ffa1d0af80 (MD5) Previous issue date: 2007-11-30 / Adding extenders to poultry semen is currently used in artificial insemination programs to optimize the management of genetically superior males. Fresh semen fertility usually declines after 1 hour of collection, raising the need to use diluents and low temperatures to store semen for longer periods. Low density lipoprotein (LDL), extracted from the egg yolk, is used as a component of various mammalian semen diluents, however its application on poultry semen has not been evaluated. Regarding cryopreservation, different methodologies have been developed during the past years. One alternative is to use dimethylacetamide (DMA) as a cryoprotectant. The best results with DMA are obtained when semen is subjected to ultra-fast freezing, in pellets, and to a fast thawing at 60ºC. The objective of this work was to establish protocols to preserve rooster sperm, focusing on the use of LDL as a component of the refrigeration diluent, and on DMA as a internal cryoprotectant for freezing. To reach these objectives, the effect of adding different levels of LDL liposomes to the cooling diluent, upon the quality characteristics of semen refrigerated at 5 °C, was evaluated. The quality of semen frozen with DMA, packed in straws or pellets, and thawed in three different temperatures was also evaluated. The results obtained allow to conclude that: adding 6% of LDL liposomes to the cooling diluent preserves the general sperm quality, suggesting that improvements on fertility could be obtained if a limit in lipoprotein supplementation is imposed; body temperature (40°C) is most suitable for thawing sperm frozem with DMA; and packing sperm in straws is more efficient than packing in pellets. This last observation is of great value, since storing semen in straws is more appropriate due to sanitary reasons, and more convenient for ejaculates identification, especially for field application of genetic banks. / A adição de diluentes ao sêmen de aves é uma prática rotineiramente empregada em programas de inseminação artificial para melhorar o manejo de machos geneticamente superiores. A fertilidade do sêmen fresco normalmente decai 1 hora após a coleta, por isso a necessidade do uso de diluentes e temperaturas hipotérmicas para o armazenamento do sêmen por períodos mais prolongados. A Lipoproteína de Baixa Densidade (LDL), extraída da gema de ovo, tem sido utilizada na composição de diversos diluentes de sêmen para mamíferos, porém, ainda não tinha sido avaliada a sua aplicação em diluentes de resfriamento para sêmen de aves. Em relação ao congelamento, diversos métodos foram desenvolvidos ao longo dos anos. Uma das alternativas é o uso da Dimetilacetamida (DMA) como crioprotetor. Os melhores resultados obtidos com DMA ocorrem quando o sêmen é submetido ao congelamento ultra-rápido na forma de pellets e a um rápido descongelamento à 60ºC. O objetivo deste trabalho foi o estabelecimento de protocolos de preservação de sêmen de galos, enfocando o uso de Lipoproteínas de Baixa Densidade (LDL) como um componente do diluente para resfriamento, e a Dimetilacetamida (DMA) como crioprotetor interno para o congelamento. Para isto, foi verificado o efeito da adição de diferentes níveis de lipossomas de LDL na composição do diluente de resfriamento, sobre as características de qualidade do sêmen resfriado à 5 °C. Também foi avaliada a qualidade do sêmen congelado utilizando DMA como crioprotetor, envasado em palhetas ou pellets, e descongelados em três diferentes temperaturas. Os resultados obtidos nestes estudos nos permitiram concluir que: a adição de lipossomas de LDL ao diluente de resfriamento mantém a qualidade geral dos espermatozóides quando adicionado na proporção de 6%; sugerindo que melhorias na fertilidade podem ser obtidas desde que seja respeitado um limite de adição desta lipoproteína ao diluente; a temperatura corporal (40°C) foi a mais apropriada para descongelamento de sêmen criopreservado com DMA; e ainda, o envase em palhetas é mais eficiente em relação ao pellet. Esta última observação é de grande valor, visto que o armazenamento do sêmen em palhetas é mais adequado por razões sanitárias, e mais conveniente para a identificação dos ejaculados, especialmente para a aplicação a campo de bancos genéticos.
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Tratamento numérico da mecânica de interfaces lipídicas: modelagem e simulação / A numerical approach to the mechanics of lipid interfaces: modeling and simulation

Rodrigues, Diego Samuel 04 September 2015 (has links)
A mecânica celular jaz nas propriedades materiais da membrana plasmática, fundamentalmente uma bicamada fosfolipídica com espessura de dimensões moleculares. Além de forças elásticas, tal material bidimensional também experimenta tensões viscosas devido ao seu comportamento fluido (presumivelmente newtoniano) na direção tangencial. A despeito da notável concordância entre teoria e experimentos biofísicos sobre a geometria de membranas celulares, ainda não se faz presente um método computacional para simulação de sua (real) dinâmica viscosa governada pela lei de Boussinesq-Scriven. Assim sendo, introduzimos uma formulação variacional mista de três campos para escoamentos viscosos de superfícies fechadas curvas. Nela, o fluido circundante é levado em conta considerando-se uma restrição de volume interior, ao passo que uma restrição de área corresponde à inextensibilidade. As incógnitas são a velocidade, o vetor curvatura e a pressão superficial, todas estas interpoladas com elementos finitos lineares contínuos via estabilização baseada na projeção do gradiente de pressão. O método é semi-implícito e requer a solução de apenas um único sistema linear por passo de tempo. Outro ingrediente numérico proposto é uma força que mimetiza a ação de uma pinça óptica, permitindo interação virtual com a membrana, onde a qualidade e o refinamento de malha são mantidos por remalhagem adaptativa automática. Extensivos experimentos numéricos de dinâmica de relaxação são apresentados e comparados com soluções quasi-analíticas. É observada estabilidade temporal condicional com uma restrição de passo de tempo que escala como o quadrado do tamanho de malha. Reportamos a convergência e os limites de estabilidade de nosso método e sua habilidade em predizer corretamente o equilíbrio dinâmico de compridas e finas elongações cilíndricas (tethers) que surgem a partir de pinçamentos membranais. A dependência de forma membranal com respeito a uma velocidade imposta de pinçamento também é discutida, sendo que há um valor limiar de velocidade abaixo do qual um tether não se forma de início. Testes adicionais ilustram a robustez do método e a relevância dos efeitos viscosos membranais quando sob a ação de forças externas. Sem dúvida, ainda há um longo caminho a ser trilhado para o entendimento completo da mecânica celular (há de serem consideradas outras estruturas tais como citoesqueleto, canais iônicos, proteínas transmembranares, etc). O primeiro passo, porém, foi dado: a construção de um esquema numérico variacional capaz de simular a intrigante dinâmica das membranas celulares. / Cell mechanics lies on the material properties of the plasmatic membrane, fundamentally a two-molecule-thick phospholipid bilayer. Other than bending elastic forces, such a two-dimensional interfacial material also experiences viscous stresses due to its (presumably Newtonian) surface fluid tangential behaviour. Despite the remarkable agreement on membrane shapes between theory and biophysical experiments, there is no computational method for simulating its (actual) viscous dynamics governed by the Boussinesq- Scriven law. Accordingly, we introduce a mixed three-field variational formulation for viscous flows of closed curved surfaces. In it, the bulk fluid is taken into account by means of an enclosed-volume constraint, whereas an area constraint stands for the membranes inextensible character. The unknowns are the velocity, vector curvature and surface pressure fields, all of which are interpolated with linear continuous finite elements by means of a pressure-gradient-projection scheme. The method is semi-implicit and it requires the solution of a single linear system per time step. Another proposed ingredient is a numerical force that emulates the action of an optical tweezer, allowing for virtual interaction with the membrane, where mesh quality and refinement are maintained by adaptively remeshing. Extensive relaxation experiments are reported and compared with quasi-analytical solutions. Conditional time stability is observed, with a time step restriction that scales as the square of the mesh size. We discuss both convergence and the stability limits of our method, its ability to correctly predict the dynamical equilibrium of the tether due to tweezing. The dependence of the membrane shape on imposed tweezing velocities is also addressed. Basically, there is a threshold velocity value below which the tethers shape does not arise at first. Further tests illustrate the robustness of the method and show the significance of viscous effects on membranes deformation under external forces. Undoubtedly, there is still a long way to track toward the understanding of celullar mechanics (one still has to account other structures such as cytoskeleton, ion channels, transmembrane proteins, etc). The first step has given, though: the design of a numerically robust variational scheme capable of simulating the engrossing dynamics of fluid cell membranes.
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Tratamento numérico da mecânica de interfaces lipídicas: modelagem e simulação / A numerical approach to the mechanics of lipid interfaces: modeling and simulation

Diego Samuel Rodrigues 04 September 2015 (has links)
A mecânica celular jaz nas propriedades materiais da membrana plasmática, fundamentalmente uma bicamada fosfolipídica com espessura de dimensões moleculares. Além de forças elásticas, tal material bidimensional também experimenta tensões viscosas devido ao seu comportamento fluido (presumivelmente newtoniano) na direção tangencial. A despeito da notável concordância entre teoria e experimentos biofísicos sobre a geometria de membranas celulares, ainda não se faz presente um método computacional para simulação de sua (real) dinâmica viscosa governada pela lei de Boussinesq-Scriven. Assim sendo, introduzimos uma formulação variacional mista de três campos para escoamentos viscosos de superfícies fechadas curvas. Nela, o fluido circundante é levado em conta considerando-se uma restrição de volume interior, ao passo que uma restrição de área corresponde à inextensibilidade. As incógnitas são a velocidade, o vetor curvatura e a pressão superficial, todas estas interpoladas com elementos finitos lineares contínuos via estabilização baseada na projeção do gradiente de pressão. O método é semi-implícito e requer a solução de apenas um único sistema linear por passo de tempo. Outro ingrediente numérico proposto é uma força que mimetiza a ação de uma pinça óptica, permitindo interação virtual com a membrana, onde a qualidade e o refinamento de malha são mantidos por remalhagem adaptativa automática. Extensivos experimentos numéricos de dinâmica de relaxação são apresentados e comparados com soluções quasi-analíticas. É observada estabilidade temporal condicional com uma restrição de passo de tempo que escala como o quadrado do tamanho de malha. Reportamos a convergência e os limites de estabilidade de nosso método e sua habilidade em predizer corretamente o equilíbrio dinâmico de compridas e finas elongações cilíndricas (tethers) que surgem a partir de pinçamentos membranais. A dependência de forma membranal com respeito a uma velocidade imposta de pinçamento também é discutida, sendo que há um valor limiar de velocidade abaixo do qual um tether não se forma de início. Testes adicionais ilustram a robustez do método e a relevância dos efeitos viscosos membranais quando sob a ação de forças externas. Sem dúvida, ainda há um longo caminho a ser trilhado para o entendimento completo da mecânica celular (há de serem consideradas outras estruturas tais como citoesqueleto, canais iônicos, proteínas transmembranares, etc). O primeiro passo, porém, foi dado: a construção de um esquema numérico variacional capaz de simular a intrigante dinâmica das membranas celulares. / Cell mechanics lies on the material properties of the plasmatic membrane, fundamentally a two-molecule-thick phospholipid bilayer. Other than bending elastic forces, such a two-dimensional interfacial material also experiences viscous stresses due to its (presumably Newtonian) surface fluid tangential behaviour. Despite the remarkable agreement on membrane shapes between theory and biophysical experiments, there is no computational method for simulating its (actual) viscous dynamics governed by the Boussinesq- Scriven law. Accordingly, we introduce a mixed three-field variational formulation for viscous flows of closed curved surfaces. In it, the bulk fluid is taken into account by means of an enclosed-volume constraint, whereas an area constraint stands for the membranes inextensible character. The unknowns are the velocity, vector curvature and surface pressure fields, all of which are interpolated with linear continuous finite elements by means of a pressure-gradient-projection scheme. The method is semi-implicit and it requires the solution of a single linear system per time step. Another proposed ingredient is a numerical force that emulates the action of an optical tweezer, allowing for virtual interaction with the membrane, where mesh quality and refinement are maintained by adaptively remeshing. Extensive relaxation experiments are reported and compared with quasi-analytical solutions. Conditional time stability is observed, with a time step restriction that scales as the square of the mesh size. We discuss both convergence and the stability limits of our method, its ability to correctly predict the dynamical equilibrium of the tether due to tweezing. The dependence of the membrane shape on imposed tweezing velocities is also addressed. Basically, there is a threshold velocity value below which the tethers shape does not arise at first. Further tests illustrate the robustness of the method and show the significance of viscous effects on membranes deformation under external forces. Undoubtedly, there is still a long way to track toward the understanding of celullar mechanics (one still has to account other structures such as cytoskeleton, ion channels, transmembrane proteins, etc). The first step has given, though: the design of a numerically robust variational scheme capable of simulating the engrossing dynamics of fluid cell membranes.

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