A three-phase model for biofilm formation on a porous solid surface

物理 固体表面 多孔性 生物膜 相(物质) 曲面(拓扑) 机械 热力学 化学工程 化学物理 复合材料 几何学 细菌 材料科学 遗传学 数学 量子力学 生物 工程类
作者
Uttam Kumar,S. Pushpavanam
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (2)
标识
DOI:10.1063/5.0190952
摘要

We investigate the growth kinetics of bacterial biofilms on porous substrates. A three-phase model is developed, which accounts explicitly for the cell phase, extracellular matrix (ECM), and nutrient-rich aqueous phase. We use the thin-film approximation as the characteristic height of the biofilm is much smaller than its characteristic radius. We use the 2D axisymmetric model to capture biofilm growth on a porous agar substrate. Our model accounts for osmotic flux and predicts the spatiotemporal variations of the volume fractions of the different phases and the nutrient concentrations in the biofilm and the substrate. An increase in surface tension helps redistribute biomass radially. Our model captures the behavior of different kinds of biofilms: films characterized by low (yeast) and high (bacterial) ECM content. The predictions of our model are quantitatively validated with the experimental data from the literature. Our model provides insights on the role of different parameters on biofilm growth, which can be used to develop strategies to prevent or accelerate biofilm formation on surfaces.
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