دانلود مقاله تعیین کرنش های سلولی توسط نیروی ریز اتمی ترکیبی و نمونه سازی المان محدود

خلاصه:

بسیاری از قسمت ها محیط های مکانیکی خود را بعنوان یک نتیجه از تغییرات فیزیکی یا عیوب وفق می دهند.سلول ها با هم برای این مرحله آشکار کننده و موثر می باشند.اگر چه خیلی از مطالعات روشن و واضح عملی شده است تا به مکانیزم آشکار کننده ها و سازگارکننده ها با کشش های مکانیکی رسیدگی شود.

سلول های کششی ناشناخته باقی می مانند ونتایج تفاوت تکنیک های شبیه سازی را نمی توان مقایسه کرد.با ترکیب تعیین تجربی مقطع برشی سلول الاستیکی توسط نیروهای ریز اتمی با نمونه سازی المان محدود و محاسبه ی دینامیک سیال.ما توزیع اعمال شده روی سلول های تحت کشش توسط تکنیک های کششی همه ی سلول های معمول و تکنیک های دستکاری ریز را گزارش کردیم.ازاین رو مقایسه ی آنها ممکن خواهد بود.استفاده از اطلاعات در تجزیه و تحلیل ها و آزمایش ها توسط یکدیگر عملی خواهد بود.ما آستانه ی فعالیت برای سیگنال متفاوت مبدل فرآیند و اجزای کششی که آنها ممکن است کشف کنند راامتحان کردیم.ما تعدیل سلول های الاستیکی را توسط افزایش تابش-F که محتوایی از سایتوسکلوتن دارد را نشان دادیم.ضریب پواسان طرح های عملیاتی خوبی هستند برای تحمل در برابر تنش برشی سیال یا فشارهیدرواستاتیکی.ما گزارش کردیم که وقتی سیال سرگردان در بعضی سیستم های الاستیکی لایه ممتد جریان می یابد کشش سلولی قابل توجه می شود.

در خاتمه، این فن آوری در دوردست نویدی را نشان می دهد برای فهمیدن اثرمتقابل در طول مدت اعمال نیروی مکانیکی.کشف کشش.شرح و بیان عامل موجود.و سازگاری سلولی در طبیعت و عیوب.

مقدمه:

          بسیاری از قسمت ها محیط های مکانیکی خود را سازگار می نمایند:استخوان بندی جدید در پاسخ به دسته ی تمرینی عالی ترکیب شده اند.قلب و عروق به صورت روان و یکنواخت ماهیچه ها را با فشار پمپ وفق می دهند.ساختار ماهیچه ها خود را با مراحل تمرینی وفق می دهند.آشکار کننده ها و سازگار کننده ها با کشش های مکانیکی که توسط سلول های تشکیل شده ی این اعضا اعمال می شوند.

          بسیاری از آزمایش ها به صورت وا ضح سلول های آشکار کننده و وفق دهنده با تحریک مکانیکی مشخص شده اند که از یک نوع طرح برای اعمال شبیه سازی مکانیکی استفاده می کنند:سلول های  خاتمه گر برای 24ساعت به جریان سیال می پیوندند که آشکار کننده ی جریان را پیوسته و یکنواخت به صف در می آورد ونوسان فشار برشی سیال می تواند کلسیم زود گذر از یک نوع از انواع سلول های آورده وآنرا به زیرلایه ی ممتد منطقه ای عمودی به مسیر کشش واگذار می کنند کندرسایت تناوب فشار هیدرواستاتیکی که افزایش می یابد را به ترکیب سنتز واگذار می نمایند.سلولهای استخوان ساز غلظت کلسیم سلول های ورودیشان را افزایش می دهد وقتی که ضربه ی ریز یا کشش از طریق میکروب های مغناطیسی پیروی می کند.شرح عامل موجود سلول های خاتمه گر وقتی که از پیچ میکروبی پیروی می کنند افزایش می یابد.روش عملی شبیه سازی مکانیکی که می توان به طور کلی به دو مقوله تقسیم می شود:آن دسته که شبیه سازی را فراترازهمه ی سلول  اعمالمی کنند(زیر لایه ی ممتد.برش سیال. تناوب فشار هیدرواستاتیکی) وآن دسته که به تنهایی بخش کوچکی از بدنه ی سلول را شبیه سازی می کنند(ضربه ی ریز.پیچ میکروبی.کشش میکروبی).نتایج بدست آمده با یک سیستم کششی در مقام مقایسه مشکل تر است با نتایج بدست آمده از روش دیگر.

          درحقیقت.سلول ها بیشتر شبیه تغییر شکل پذیری آشکاری هستند که بروی ساختارشان یا در مهندسی ترم کشش (تغییر شکل پذیری در بخش طولی)اعمال می شود.شناخت توزیع کشش در سطح سلول ها نتیجه را قادر می سازد تا از تکنیک های کششی متفاوت که با یکدیگر مقایسه می شوند. ونتیجه ی ساختار فیزیکی آنها آنالیز می شود. تکنیک های معمول مهندسی ازجمله محاسبه ی دینامیک سیال(CFD )یا نمونه سازی المان محدود می تواند برای محاسبه ی فشار برشی نتیجه

شده از جریان سیال یا توزیع کشش لازم برای شبیه سازی مکانیکی مورد استفاده قرار بگیرد.(CFD )سرعت وتوزیع فشار تولیدی را قادر می کند تا  جریان سیال  بالای یک سطح را مشخص کند وبنابراین توزیع فشار برشی می تواند تعیین شود.CFD با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است تا به جریان خون در میان شریان و شاخه های آن رسیدگی شود.باربی فشارهای برشی لازم را که سیال بالای یک سلول خاتمه گر یک لایه که متعلق است به توپوگرافی  که با استفاده از نیروی اتمی ریز بدست آورده شده است(َAFM). جریان یابد.این در رابطه با (FEM ) می تواند سلول های کششی استخراج شده توسط فشار برشی سیال را تسلیم کند.درحقیقت FEM به توزیع کششی لازم اجازه می دهد که به بارگیری و شرایط مرزی اعمال شده روی یک ساختار که به اجزای ماده که شناخته شده و تعیین شده هستند نظم ببخشد.FEM نمونه سازی وتعیین توزیع کشش در همه ی اعضا از جمله استخوان و غضروف یا دیواره ی شریانی را با موفقیت عملی کرده است.اما آن به ندرت در سلول های انفرادی لازم که کمبود دقیق اطلاعات در اجزای مادی سلول ها یا صورت و شکل ظاهری آن عملی شده است.رایمر-مک ردی وهالیستریک سلول جانبی را نمونه سازی کردندکه آن را در شکافی که در کشش اعمال شده در سلول توسط یک تراکم یکنواخت از قالب در هر کدام که جا داده می شود جا می دهند. گولاک و مو و وو دهرزوک یک کندروسایت محاط را در یک قالب کارتیلجینوس نمونه سازی کردند.در همه ی  سه مورد سلول ها  بعنوان کره با اجزای متشابه ویک جور نمونه سازی می شوند.از این رو پتانسیل نامتشابه در اجزای مواد یا توپوگرافی نادیده گرفته می شود.دیگری نمونه ی المان محدود است که روی اجزای مواد سلولی پیش بینی شده از ساختار سایتوکلتال متمرکز شده است.پیش بینی اصلاحات سایتوکلتون یا تکامل تدریجی شکل ظاهری سلول در پاسخ به تنفس ریز لوله ای.اگر چه روش های زیادی از اندازه گیری حجم اجزای مواد سلولی استخراج می شود.فقط AFM  قادر است مقطع طولی سه بعدی از سطح سلول را که در قرارداد بالا با توزیع اجزای موادشان با همدیگر بدست آورد.

          دراین مطالعه ما AFM رابا FEM وCFD ترکیب می کنیم که نتیجه ی توزیع کشش از تکنیک های شبیه سازی مکانیکی همه ی سلول های معمول محاسبه می شود.تجارب بدست آمده از مقطع طولی سلول ونقشه های بدست آمده از اجزای مواد توسط (AFM)نمونه ی المان محدود را در سه بعد منعکس می کنند.سری های مختلف مرزها و یادآوری شرایط اعمال شده به نمونه ی سلول که در آزمایش های کششی(زیر لایه ی ممتد.برش سیال و فشار هیدرواستاتیکی متناوب) شبیه سازی شده است .آزمایش های میکروسکوپی معمول(کشش وپیچش ریز.کشش ریز لوله ای) که روی یک  حجم زیر سلولی کوچک نمونه سازی شده است و توزیع کشش که با سنجش آزمایش های کششی همه ی سلول ها محاسبه شده است.سازگاری سلول ها به فشارهای مکانیکی توسط افزایش میزان الاستیک سلول و امتحان آنچه روی توزیع کشش اثر می گذارد شبیه سازی می شود.پارامترهای مختلف مربوط به روش های  شبیه سازی شده متنوع می باشند واثرهای آن ها روی توزیع کشش امتحان شده است.علاوه بر این.ماازاین نمونه سازی ها استفاده می کنیم تا حجم کشش نتیجه شده ازآزمایش ها توسط گروه های دیگررا محاسبه کنیم ومقایسه ی اندازه ی کشش ها که نیازاست یک کشف مکانیکی گزارش شده وجواب سلولی پایین دست آغاز شود.

          در خاتمه، ما برای اولین بار کاربرد واستعمال AFM در پیوستگی با FEM و CFD برای محاسبه ی توزیع کشش در نتایج سلول ها از روش های معمول شبیه سازی مکانیکی را گزارش می دهیم.دانستن این توزیع کشش آزمایش های کشش متفاوت را که با یکدیگر مقایسه می شوند را ممکن خواهد ساخت.به علاوه. این اطلاعات باید به درک ما ازچگونگی کشش های ایجاد شده توسط تکنیک های کششی معمول کمک کند که در سلول های متفاوت درراه هایی که علامت گذاری می شوند و مشخص شده اند استفاده می شوند.

مواد و روش ها

اطلاعات آزمایش:

کشت سلول

          سلول ها ی استخوان سازازاستخوان های طویل موش های تازه تولد یافته توسط محیط منفرد مکانیکی و کشت شده برای 72  ساعت در 37 درجه ی سانتیگراددر اتمسفری که 5% آن CO2 در هوا در DMEM مجزا شده است که با 10% CFS -2% گلوتامین-2% پنی سیلین استروپتومیسین- 2%  HEPES     1 مولاربا 7 PH کامل می شود.

مصونیت در مقابل آلودگی و ریز کانونی

          مصونیت در مقابل آلودگی بعنوان یک تشریح در (نسبیت و هورتن).به طور خلاصه سلول ها در حل PBS ثابت شده اند که 2% فرمالدئید و0.1% کلوترالدئیدرا شامل می شود.ونفوذ پذیری در یخ سرد تریتون X-100 محلول بافر برای 5 دقیقه در 4  درجه ی سانتیگراد .آن ها آنتی-پاکسیلین تولیدی را بیرون می آورند.یک تماس پروتئینی کانونی برای 30 دقیقه . FITC  برچسب دار بز ضد  آنزیم های بدن  موش. برای 30 دقیقه.و  ردامین-پالودین. برای 30 دقیقه.همه ی پوششهای لبه ای با یک شناوری خارجی روغن ×100 روی یک لیکای کانونی ریز روان TCSNT مصور شده اند.تصویر لامپ مهتابی به صورت منظم درگام 0.4 میکرو متر با نشر طول موج 568-488 نانو متر برای FITC و TRITC حامل فلوئور به ترتیب جمع آوری می شوند. بااستفاده از نرم افزارایماریس در یک کارگاه O2 SGI تصاویر پردازش می شوند.

نیروهای اتمی ریز

          یک میکروسکوپ حرارتی جستجوگر روی یک میکروسکوپ معکوس وصل می شود.که برای بدست آوردن خواص مواد سلول ها استفاده می شود.اندازه گیری انجام شده برای استفاده ی ایمن از پایه ی V شکل با نوک هرمی واین در هوا قبل از آزمایش واسنجیده می شود.

          سلول های استخوان ساز روی سطحی شیشه ای که به نمونه ی نگهدارنده وامتحان شده در محلول بافر ساختارشان انتقال می یابند پرورش داده می شوند.

برای هر سلول منحنی مسافت - نیرو در نقاط روی یک شبکه ی 50×50 یا 100×100  جمع می شوند سرعت نزدیک استفاده برای منحنی مسافت - نیرو 5 میکرومتر بر ثانیه که ویسکوزیته ی سلولی را که الاستیک سلولی آن حدس زده شده را به حداقل می رساند.

اندازه گیری خاصیت ماده

          خواص مواد سلولی بعنوان تشریح در ردمچر ارزیابی می شود.به طور خلاصه به نصف فضای متشابه فرض می شوند و مخروط نوک تیز یک نیروی F نیاز است تا یک تو رفتگی با عمق (دلتا) در نصف صفحه با مدول E است:

          با (آلفا)زاویه ی باز از مخروط نوک تیز و (نو) ضریب پواسان منطقه ای.دانستن سفتی پایه و تئوری مناسب منحنی اطلاعات تجربی.مدول های الاستیک می توانند کاهش پیدا کنند.ضریب پواسان سلول ها 0.3  فرض می شود .که مطابق با اندازه گیری در سلول های زنده لازم است که تجربی انتخاب شود.ارزش ضریب پواسان بعنوان تجارب بدست آمده از منحنی مسافت - نیرو که مناسب است با  Eq.1.الاستیک سلولی وضریب پواسان نمی توانند با تسلیم شوند.یک نوشته ی مرسوم برای اجرا کردن در زیر موج PV در یک کارگاه O2 SGI  برنامه ریزی می شود که مناسب است با منحنی مسافت - نیرو به صورت خودکاراستفاده  می شود.تجزیه و تحلیل فاصله ی نقشه ی خاصیت ماده را می توان توسط محاسبه ی قطر دایره ی ناحیه ی اتصال سلول با مخروط نوک تیز حدس زد.استفاده از Eq یکی از راه ها یی است که می توان (دلتا)را پیدا کرد و فرض بر اینکه دندانه ی تیزمخروط قطر دایره ی تماس می باشد.از این رو شبکه ی. 100×100 .که خواص ماده ی نمونه درهر ریزسنجی  بالا ترین دقت که می تواند بدون فاصله ی نیمه نیمه زیاد در اندازه گیری بدست آید.

نمونه سازی رقمی برای مدل های مکانیکی همه ی سلول ها

          َAFM  به صورت اجمالی ده سلول استخوان سازرا که به صورت نمونه المان محدود سه بعدی ترکیب شده با اندازه گیری تجربی الاستیکی و نقشه برداری استفاده شده ازبرنامه ی نوشته شده ی مرسوم به طور مداوم مادون موج  pv معکوس می شوند را مورد بررسی قرار می دهد.

 تولید همه ی سلول های مدل

          سلول ها در حقیقت اززیرلایه ی آزمایشگاهی وصفحه بندی روی یک زیرلایه ی تخت با مدول یانگ 4Gpa گرفته می شوند.نمونه یک المان 50×50  درمسیرهای x وy.نتیجه در2 میکرومتر 7000 المان می باشد.تجزیه در مسیرz انتخاب آن به همان صورت مسیرهای x وy می باشد.یک منطقه ی اضافی 20 میکرومتری عریض به اطراف نمونه اضافه می شود که اثر مرزها را کاهش می دهد.  زیرلایه دو المان ضخیم می باشد.تعداد المان ها در مکان گرفته شده توسط سلول با ارتفاع تقسیم شده توسط تجزیه ی محور z برابرمی باشد که برای عدد صحیح بعدی جمع آوری می شود.بیشتر سلول ها بین یک و دو المان در ارتفاعشان می باشند.سلول وزیرلایه در طول تماس سطحشان در حد یکنواخت نسبتا پیوستگی مرکب سلول مرکزی به صورت عدد مجزای نکته ی نشان داده شده فرض می شوند.سلول ها وزیرلایه با پارامترهشت قسمتی المان حجمی نمونه سازی می شوند.بدلیل اینکه مدول الاستیک متغیردرداخل یک سلول بزرگترین عدد می باشد. توزیع سلولی در ده خاصیت ماده ی بدست آمده گروه بندی می شوند با پیروی ازالاستیک های:

که حداکثروحداقل الاستیک سلول نمونه سازی شده را بیان می کند.

نمونه ی فیزیکی

          همانقدر که ما علاقه مند هستیم تا در حل استاتیکی برای همه ی سلول های کششی همه ی مواد به صورت الاستیک خطی وایزوتروپ فرض می شوند.

سلول ها و زیر لایه یک ضریب پواسان 0.3 دارند.شرایط مرزی ونیروی اعمال شده بروی نمونه ی شبیه سازی شده به زیر لایه ی ممتد یا فشارهیدرواستاتیکی متناوب اختصاص داده می شود.

          معادلات مکانیکی پیوسته ی الاستیک خطی برای پیدا کردن توزیع کشش اعمال شده روی سلول حل می شوند.در ساده ترین عبارت.کشش مهندسی می تواند بعنوان تغییر طول در هر بخش طولی تعریف شده باشد.کشش مهندسی معمولا براینکه در صد تغییر طول یا کشش میکرونی با 1% کشش دلالت می کند. محاسبات همه ی المان های محدود شده با (CAST3M)انجام می شودهدف اصلی حلال المان محدود با محل ما قبل محل پردازش کامل می شوند و با یکدیگر

روی یک SGI O2 یا یک استاندارد pc اجرا می شوند.

شرایط  مرزی

          زیر لایه ی ممتد:برای شبیه سازی زیر لایه ی ممتد یک جابه جایی برابربا 0.1%  امتداد درجهت محورxها به یک انتهای زیرلایه اعمال می شود دو  طرف دیگر در محورxها تحت فشار می باشد.در کنار خطوط موازی عبور کرده ازمحورxها در محورyها تحت فشار می باشد.قسمت تحتانی کنارزیرلایه درمحورzها تحت فشار می باشد.

          ارزیابی اثرضریب پواسان سلول در حجم کشش ضریب پواسان در همه ی شبکه ها بین 0.2 و0.5 متغیرمی باشد زمانی که روی زیرلایه ی 0.1% در طول محورxها اعمال می شود.ارزیابی اثرمسیرلایه زیر لایه مسیرشبیه سازی شده ی زیرلایه وزاویه ای که با محورxها دارد زمانی که ادامه ی حجم زیرلایه و ضریب پواسان پایدارمی باشد متغیر است بین 90 60 45 30 0 درجه.این تجزیه و تحلیل ها روی یک نمونه سلول استخوان ساز فقط انجام می شود.

توزیع کشش برای دیگر سلول ها به همین نحو لازم طبیعت الاستیک خطی نمونه ی مکانیکی را تغییر می دهد.

          فشارهیدرواستاتیکی متناوب:برای تجزیه ی فشارهیدرواستاتیکی متناوب در قسمت تحتانی کنارزیرلایه کاملا تحت فشارقرارگرفته و یک فشارهیدرواستاتیکی 5 Pa که به قسمت نوک سطح اعمال شده است.(همه ی شرایط مرزی در شکل 3A نشان داده شده است)ارزیابی اثر ضریب پواسان روی توزیع کشش سلولی برای همه ی شبکه ها زمانی که ادامه ی فشارپایدار می باشد متغیراست بین 0.2 تا 0.5.این تجزیه و تحلیل ها فقط روی یک مدل سلول انجام می شود.

تولید مدل سلول جانبی

          خواص مواد سلول جانبی به صورت سلول های استخوان سازفرض می شوند که سلول های جانبی و حفره هایشان بیضوی شکل هستند.ما فقط نیمه ی حفره ی سلول پیچیده را  نمونه سازی کردیم.به موجب آن در نیمه ی دیگر سلول کاملا یکسان فرض می شود.شبیه سازی سلول جانبی که درقالب استخوان جا داده می شوند.سلول های مدل توسط یک لایه از قالب المان های شکل پذیر یک آجر با یک " قالب" سلول روی قسمت تحتانی کنارپوشیده می شوند.سلول و قالب در طول سطح تماسشان در حد یکنواخت فرض می شوند..قسمت تحتانی کنارزیرلایه درمحورzها تحت فشار می باشد. یک جابه جایی برابربا 0.1% امتداد درجهت محورxها روی یک انتهای بلوک قالب اعمال می شود وطرف دیگر در محورxها تحت فشار می باشد.طرفی که خطوط موازی عبور کرده از محورxها در محورyها تحت فشار می باشد.فرض می شود که قالب استخوان الاستیک 4Gpa را در توافق با اندازه گیری های تجربی حجم دارا می باشد.

نمونه سازی رقمی برای شبیه سازی برش سیال

          امتحان نتیجه ی توزیع کشش ازجریان سیال روی سلول ها.محاسبات انجام شده در دو گام مجزا اول یک مدل CFD محاسبه ی خط جریان و نتیجه ی  فشار برشی ازجریان روی مقطع طولی سلول بوجود می آید.دوم یک مدل FE ازسلول فشار برشی را ازشبیه سازی CFD بوجود می آورد که به مدل مکانیکی اعمال می شود.نتیجه ی توزیع کشش از این می تواند محاسبه شود.همان قدرکه تغییرشکل پذیری سلولی کوچک می باشند ما فرض می کنیم که تغییر شکل پذیری سلولی آنقدر مهم نیست که بر خط جریان اطراف مقطع طولی برش تاثیربگذارد وازاین رومانیازنداریم تا این فرآیند را تکرار کنیم.