Abstract:
Die Tröpfchenübertragung durch die Luft gilt als ein wesentlicher Übertragungsweg für respiratorische Erkrankungen. Respiratorische Aerosole und Tröpfchen, die als Hauptträger luftübertragener Krankheitserreger fungieren, unterliegen nach der Exhalation physikochemischen Veränderungen, die ihre Verweildauer in der Luft sowie das Überleben der darin enthaltenen Pathogene maßgeblich beeinflussen. Zahlreiche Studien belegen, dass Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur einen erheblichen Einfluss auf die Infektiosität von Pathogenen haben. Dennoch ist bisher wenig darüber bekannt, wie genau sich die physikochemischen Eigenschaften respiratorischer Tröpfchen unter unterschiedlichen Umweltbedingungen verändern und wie sich dies auf das Überleben und die Übertragbarkeit von Krankheitserregern auswirkt. ... mehrDaher besteht das Ziel dieser Arbeit darin, das Verdampfungs- und hygroskopische Wachstumsverhalten respiratorischer Tröpfchen unter verschiedenen Umweltbedingungen zu untersuchen, um ein tieferes Verständnis dafür zu gewinnen, wie diese Eigenschaften die luftgetragene Übertragung und Persistenz respiratorischer Pathogene beeinflussen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Verdampfungskinetik, das thermodynamische Gleichgewichtsverhalten sowie das Rehydrationsverhalten levitierter Modelltröpfchen mithilfe einer elektrodynamischer Falle (Paul-Falle) systematisch untersucht. Der Fokus liegt dabei auf dem Einfluss zweier zentraler Proteinkomponenten: Mucin und Albumin, die jeweils in den Flüssigkeiten der oberen bzw. unteren Atemwege dominieren. Wichtige physikochemische Parameter, einschließlich Tröpfchengröße, Phasenzustand, Morphologie, Hygroskopizität, Effloreszenz- und Deliqueszenzverhalten, wurden mithilfe von Lichtstreumusteranalyse, Rasterelektronenmikroskopie und Hochgeschwindigkeitskamera charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass künstliche Speicheltröpfchen bei relativen Luftfeuchtigkeiten unterhalb von 45 % ein komplexes morphologisches Veränderungsverhalten aufweisen. Mucin bildet dabei eine semipermeable Oberflächenschicht, die Wasser zurückhält, die Verdunstung verlangsamt und eine vollständige Rehydratation hemmt. Dadurch beeinflusst es maßgeblich die Tröpfchengröße, Morphologie, Phasenübergänge und strukturelle Stabilität. Im Gegensatz zu Mucin fördert Albumin einen schnelleren Wasserverlust aus NaCl-Tröpfchen, zeigt eine ausgeprägte Oberflächenaktivität und ruft starke morphologische Deformationen hervor, wodurch das Deliqueszenzverhalten verändert wird, während die gesamte hygroskopische Kapazität erhalten bleibt.
Abstract (englisch):
Airborne transmission is recognized as a major route for the spread of respiratory diseases. Respiratory aerosols and droplets, as the primary carriers of airborne pathogens, undergo physicochemical transformations after exhalation that directly influence their airborne lifetime and the survival of the pathogens they carry. While numerous studies have shown that environmental factors such as humidity and temperature significantly affect pathogen infectivity, limited research has focused on the underlying mechanisms: how the physicochemical properties of respiratory droplets changes under varying environmental conditions, and thereby impacts pathogen survival and transmission. ... mehrTherefore, the aim of this thesis is to investigate the evaporation and hygroscopic growth behavior of respiratory droplets under varying environmental conditions, in order to gain a further insight into how these properties influence the airborne transmission and persistence of respiratory pathogens.
This thesis systematically investigates evaporation kinetics, equilibrium thermodynamics, and rehydration behavior of levitated model respiratory droplets using an electrodynamic balance, with an emphasis on the role of two key protein components: mucin and albumin, that dominate the protein composition of upper and lower respiratory tract fluids, respectively. Physicochemical parameters including droplet size, phase state, morphology, hygroscopicity, efflorescence, and deliquescence were characterized using light scattering patterns, scanning electron microscopy, and a high-speed video camera. Results show that artificial saliva droplets exhibit a complex morphology change behavior during evaporation at RH below 45%. Mucin forms a semi-permeable surface layer that retains water, slows evaporation, and suppresses full rehydration, thereby influencing droplet size, morphology, phase transitions, and structural stability. In contrast, albumin, relative to mucin, promotes faster water loss from NaCl droplets, displays pronounced surface activity, and induces strong morphological deformation, thereby altering deliquescence behavior while maintaining overall hygroscopic capacity.
These findings indicate that respiratory droplets originating from different regions of the respiratory tract behave distinctly under varying environmental conditions. By establishing the role of key proteins in droplet physicochemical transformations, this study contributes to a deeper understanding of droplet-mediated pathogen transmission and provides insights for improving public health strategies and pandemic preparedness.
