鞭毛推进和精子的操纵

了解精子是如何游动找到卵子并受精的，对于设计人工生殖技术至关重要，这些技术有很高的成功机会，并可靠地选择最优质的精子来创造没有严重遗传缺陷的后代。精子通过“拍打”被称为鞭毛的柔性尾巴游动。这些灵活的螺旋桨是由一种极其复杂的纳米引擎驱动的，这种引擎被称为轴素。成千上万的蛋白质纳米马达，被称为动力蛋白，在这个引擎中以协调一致的方式驱动鞭毛中复杂的跳动模式。所有这些马达是如何在高度嘈杂的纳米级环境中协调自己，产生跳动的模式来推动和引导游动的细胞走向卵子的呢?我们正在开发数学模型来解释马达的作用、柔性体的弹性阻力以及细胞内外的流体作用力之间的相互作用。通过这些模拟，我们的目标是将控制该系统的内部和外部物理参数与实验观察到的在不同物理条件下出现的殴打模式联系起来。我们希望通过精子的跳动特征来诊断其内部健康状况。这将使微流控策略的设计能够选择高遗传质量的细胞在体外受精。

主要成果

• 对单个系留精子的长时间高速高分辨率图像分析，以测量鞭毛能量:这是通过与Moira O 'Bryan、Reza Nosrati和Julio Soria领导的一个实验小组的三年合作实现的[Nandagiriet al .,eLife, 2021年]．
• 单个精子鞭毛跳动模式的图像分析显示一组称为CRISPs的蛋白质增强鞭毛推进力[Gaikwadet al .,细胞与发育生物学前沿, 2021年]．
• 对靠近细胞壁的单个精子鞭毛跳动模式的三维测量[Powar]et al .,小方法, 2022]。

粘弹性聚合物溶液的复杂流动

聚合物在自然界中无处不在(例如DNA，纤维素)或塑料。当溶解时，柔性聚合物分子可以表现为纳米弹簧，使流体具有粘弹性。即使是少量的聚合物添加剂也能极大地改变牛顿溶剂的流动行为。这些添加剂还可以减少多达40%的湍流摩擦。它们可以抑制农药喷洒中微滴(或雾)的形成。另一方面，如果选择不正确，它们会在纸张和其他产品的卷筒涂层中形成有毒雾。然而，聚合物尺寸、化学性质和浓度之间的联系，以及它们的溶液在复杂流动情况下(如湍流管道流动、射流和自由表面流动等)的行为，目前还没有得到很好的理解。我们开发了先进的基于微观结构的流变模型和计算流体动力学(CFD)模拟，将聚合物分子的纳米尺度流体力学与其溶液的宏观尺度流动行为联系起来。目标是设计用于流动应用的聚合物解决方案，如喷涂，表面涂层，喷墨打印，湍流控制等。

主要成果

• 基于微观结构的流变模型对聚合物溶液滞后行为非平凡浓度依赖性的正确预测[j]。Prabhakar等人。物理评价液, 2017年]．
• 一种新的基于微观结构的模型，可以正确预测非纠缠聚合物溶液在强拉伸流动中的复杂自浓缩/自稀释行为:这是与Tam Sridhar和Ravi Prakash Jagadeeshan的合作成果。模式预测成功地通过实验(Sridhar)和中尺度布朗动力学模拟(Jagadeeshan) [角色等.，流变学杂志, 2016年]．
• 声学驱动的微流体拉伸流变仪(ADMiER)的开发:该设备是与Leslie Yeo和James Friend合作开发的。它测量微升大小的复杂流体液滴的拉伸粘度[Bhattacharjee等人。新物理学杂志， 2011；麦克唐纳等人;软物质, 2015年]．

活性物质的复杂流动

当高流动性的个体聚集在一起时，会发生有趣的事情!复杂的运动模式出现在鸟群、角马群、人群、鱼群、蚂蚁等。游动细胞或合成纳米马达的悬浮液也是如此。这种人的行为活性物是丰富多样的。有生命的物质——细胞器、细胞、组织、器官、有机体、物种——是经过数十亿年的进化而完善了特定功能的活性物质。我们的目标是开发模型和技术，将活性物质的特性和行为与构成这些材料的可移动粒子的运动性和其他相互作用联系起来。

主要成果

• 正确预测由移动细胞通过软介质产生的复杂沟壑网络:这些网络最初是在实验中观察到的铜绿假单胞菌生物膜，由Cynthia Whitchurch和Michelle Gee进行，并使用我们小组开发的测量方法进行量化[Gloag等.，PNAS, 2013年]．与Mandar Inamdar和Raghunath Chelakkot合作进行的模拟表明，网络模式是由运动诱导的聚类现象引起的[Imaranet al。，软物质, 2021年]．
• 由紧密堆积的多边形运动细胞组成的“泡沫”组成的上皮单层模式形成的模拟:与Mandar Inamdar和Raghunath Chelakkot合作[亚太区等.，英国皇家学会界面杂志, 2021年]．
• 正确预测由游动的细菌、藻类和精子施加的推进力引起的悬浮液拉伸粘度的变化:这是与Leslie Yeo和James Friend合作进行的实验。一个新的基于微观结构的杆状微游泳者悬浮液拉伸粘度模型捕获了在运动诱导的拉伸粘度变化中观察到的浓度依赖性[麦克唐奈等.，软物质, 2015年]．