Transport of Brownian particles and bacteria in hydrogels with tunable porosity

In questo lavoro, è stato analizzato l'impatto del confinamento imposto da matrici di idrogel di poli(etilenglicole) (PEG) sulle dinamiche di colloidi passivi e attivi. Attraverso una caratterizzazione dettagliata della struttura interna degli idrogel a livello nano e microscopico e la precisa modulazione della porosità degli idrogel sviluppati, è stata stabilita una connessione tra le dinamiche dei microgel e il confinamento geometrico tridimensionale imposto dalle matrici porose. Sono stati utilizzati idrogel PEG con alta trasparenza, pori modulabili e frazioni di volume ottenute tramite liofilizzazione. I risultati hanno mostrato che la porosità degli idrogel è definita da canali allungati con sezioni asimmetriche, con dimensioni medie che diminuiscono da circa 7 a 2 diametri di particella. Con l'aumento del contenuto di PEG, la distribuzione delle dimensioni dei pori si restringe, rallentando le dinamiche dei microgel e passando da un comportamento diffuso a sub-diffuso. È stata inoltre studiata la motilità di B. subtilis in diversi gradi di confinamento, rivelando una transizione dal comportamento run-and-tumble a un movimento progressivamente sub-diffuso con l'aumento del confinamento. La velocità istantanea media dei batteri diminuisce e la distribuzione diventa più ristretta, mentre il tasso di riorientamento aumenta e si stabilizza. Analizzando le singole traiettorie, è stato dimostrato che il comportamento dinamico medio risulta da spostamenti complessi, comprendenti segmenti attivi, diffusi e sub-diffusi. In condizioni di confinamento da piccolo a moderato, il numero di segmenti attivi diminuisce, mentre aumentano quelli diffusi e sub-diffusi, caratterizzati da un movimento di hopping e trapping. Infine, è stata proposta una relazione quantitativa che correla la velocità media dei batteri sotto confinamento con quella dei batteri non confinati, utilizzando la lunghezza caratteristica di confinamento della matrice idrogel. Questo studio fornisce nuove intuizioni sulla motilità batterica in ambienti complessi che simulano condizioni naturali, rilevanti per questioni critiche come la ritenzione biologica, la purificazione dell'acqua, la formazione di biofilm, la permeazione delle membrane e la separazione dei batteri. I risultati evidenziano l'importanza di una caratterizzazione approfondita della geometria tridimensionale delle reti porose per comprendere le proprietà di trasporto nei mezzi porosi intricati e casuali.