Modellierung der Adhäsion und Deformation von Mikrokapseln

Abstract

Mikrokapseln spielen eine wichtige Rolle beim Einschluß und der kontrollierten Freisetzung von Substanzen sowohl in industriellen Anwendungen als auch in der Medizin und den Biowissenschaften. Sie dienen ebenso als Modellsysteme für biologische Objekte wie Zellen oder Viruskapseln.

Bei vielen dieser Anwendungen sind gute Kenntnisse über die mechanischen Eigenschaften nötig. Typischerweise wird die Kapsel zu diesem Zweck verformt und die dazu benötigten Kräfte werden gemessen. Die Deformation kann auf verschiedene Arten hervorgerufen werden, z. B. durch Adhäsion, äußere Kräfte oder Druckunterschiede zwischen der Innen- und Außenseite der Kapsel. In Experimenten wurde der Adhäsionsradius der Kapsel oder die zum Zusammendrücken der Kapsel benötigte Kraft gemessen.

In der vorliegenden Dissertation wird die Adhäsion von Mikrokapseln und die Deformation durch äußere Kräfte auf theoretischem Wege untersucht. Es wird mit Mitteln der Elastizitätstheorie ein Modell entwickelt, mit dem sich die Deformation der Kapsel in Abhängigkeit von den angreifenden Kräften beschreiben läßt. In einer systematischen Untersuchung werden die Vorhersagen des Modells mit experimentellen Daten verglichen, um daraus die elastischen Parameter zu extrahieren.

Microcapsules are important for encapsulation and controlled release of agents in industrial applications as well as in medicine and life sciences. They also serve as a model system for biological objects like cells or viral capsids.

For many of these applications precise knowledge of the mechanical properties is necessary. Typically, the capsule is deformed and the corresponding forces are measured. The deformation can be induced using a variety of methods, e. g. adhesion, external loads or pressure differences between the inside and the outside of the capsule. In experiments the adhesion radii of the capsule and the compression forces have been measured.

In this work, the adhesion of microcapsules and the deformation due to external forces are investigated theoretically. A model describing the deformation as a function of the applied force is developed using the theory of elasticity. In a systematic study the predictions of the model are compared to experimental data. The model is used to extract the elastic parameters of the capsule's material from experimental force-deformation curves.