Investigating biofilm deformation using optical coherence tomography and fluid-structure interaction simulation

Das Feld der Biofilmmechanik ist noch immer einer der am wenigsten untersuchten
Bereiche der Biofilmforschung. Um zu verstehen, was Biofilmen eine so große Widerstandskraft
gegen Scherspannung verleiht, muss das Wechselspiel von Deformation und
Änderung der Biofilmmatrix im Detail untersucht werden. Seit der Einordnung von
Biofilmen in viskoelastische Materialien wurden fast keine Untersuchungen hinsichtlich
elastischer Deformation durchgeführt. Jedoch sind es die elastischen Eigenschaften eines
Biofilms, welche der Biofilmmatrix die Fähigkeit zur Absorption von mechanischem
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Stress maßgeblich beeinflussen.
Diese Dissertation vertieft das Verständnis im Bereich der elastischen Biofilmmechanik.
Durch die Nutzung der optischen Kohärenztomographie (OCT) konnten neue
Erkenntnisse über die Dynamik der elastischen Biofilmdeformation gewonnen werden.
Das beinhaltet die Änderung der Porosität während des Deformationsprozesses, die
Änderung der mechanischen Eigenschaften mit der Fließgeschwindigkeit während der
Kultivierung, sowie die Bestimmung zuvor noch nicht gemessener mechanischer Parameter
wie die Poissonzahl, das Kompressionsmodul, sowie die Kompressibilität von
Biofilmen. Zum ersten Mal konnte eine Messgröße für die Poissonzahl bestimmt werden,
welche die relative Längenänderung zwischen transversaler und axialer Deformation beschreibt.
Da Biofilme einen hohen Wassergehalt haben, wurde lange Zeit angenommen,
dass sie sich wie inkompressible Materialien (z.B. Gummi) verhalten. Daher wurden
in Simulationsstudien immer positive Werte für die Poissonzahl angenommen. OCT
Aufnahmen während Deformationsexperimente zeigten jedoch eine höchst kompressible
Biofilmmatrix. Daraus wurde geschlossen, dass es sich bei den untersuchten Biofilmen
zum Teil um sogenannte auxetische Materialien mit negativer Poissonzahl handelt. Dies
ändert das Verständnis der mechanischen Natur von Biofilmen maßgeblich. Die daraus
ermittelten Werte erlaubten zudem die Bestimmung des Kompressionsmoduls, sowie der
Kompressibilität.
In Fluid-Struktur-Interaktions Simulationen wurden die gewonnenen Parameter daher
genutzt, um das mechanische Verständnis von Biofilmen im Detail zu verstehen.
Biofilmdeformationen, welche mittels OCT verfolgt wurden, lieferten reale Geometrien,
die als strukturelle Vorlage für die Simulationen dienten. Durch die Implementierung
von realen Geometrien konnte die Abschätzung von Materialkonstanten weiter verbessert
werden. Mit diesen Simulationen konnte gezeigt werden, dass der Young's Modulus
bei ansteigender Schubspannung nicht konstant bleibt. Dies ist eine direkte Konsequenz
der Heterogenität der Biofilmstruktur. Zuletzt wurde der Ein Fluss von negativen Poissonzahlen
untersucht und die Qualität der Simulationen diskutiert. Biofilme zeigten in
Simulationen mit negativen Poissonzahlen Deformationen, welche vergleichbar mit den
realen OCT Aufnahmen waren. Die Simulationen zeigten, dass es sich bei Biofilmen
teilweise um auxetische Materialien handelt.

The nature of biofilm mechanics is still one of the most understudied fields in biofilm
research. The main challenge is to understand the complex interplay of deformation and
matrix re-arrangements. Both give the biofilm matrix its enormous resistance against
environmental stress. After the discovery of biofilms behaving as viscoelastic material,
research of the elastic properties basically stopped. But it is the elastic part, which
defines rigidity, elasticity, and ability to absorb applied stress without detaching.
The following thesis deepens the understanding about elastic properties of the biofilm
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matrix. Using optical coherence tomography (OCT) new insights in the dynamics of
the elastic deformation process of heterotrophic waste water biofilms were gained. This
includes the observation of porosity change during deformation, scaling of mechanical
properties at different Reynolds numbers during cultivation, and access to mechanical
properties, which have not been measured before. For the first time the bulk modulus of
biofilms and its inverse, the compressibility, were evaluated. This allowed to determine
the Poisson's ratio, which describes the relation between transverse and axial elongation
and is one of the most underrated parameters in biofilm mechanics. biofilms, which
contain a high amount of water, were assumed to behave as incompressible materials
similar to rubber. Therefore, positive values of the Poisson's ratio were always used in
biofilm models dealing with deformation. However, dynamic deformation experiments
allowed to prove a high compressibility and low bulk modulus of the biofilm matrix
leading to the conclusion that biofilms should be partially classified as auxetic materials
with a negative Poisson's ratio. This changes the understanding of the mechanical
nature of biofilms. In fluid-structure interaction simulations the evaluated parameters
were hence used to deepen the understanding of the mechanical nature of biofilms.
Real biofilm geometries acquired in deformation experiments were used to improve the
evaluation of mechanical properties without relying on estimations about the stress
acting on the bulk-biofilm interface. In the simulations it was shown that the Young's
modulus cannot be considered constant. It rather scales with the flow velocity. This is
a direct consequence of the heterogeneity of the biofilm matrix. At last, the in fluence
of a negative Poisson's ratio on the deformation behavior of biofilms was investigated
and discussed. Simulations with negative Poisson's ratios showed deformation fields
comparable to deformed biofilms imaged by means of OCT. These simulations showed
that biofilms can partially be considered auxetic materials.