14020

14020

مدل‌سازي ديناميكي و آناليز حساسيت منيپوليشن ميكرو / نانو ذرات زيستي به‌وسيله‌ي ميكروسكوپ نيروي اتمي

دكتري

طراحي كاربردي

دي ماه 1393

دي ماه 1393

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

چكيده در فرآيند منيپوليشن مكانيكي، نيروي اعمالي بر ذره تا مقدار بحراني افزايش مي‌يابد تا بتواند بر نيروهاي چسبندگي و اصطكاكي بين ذره و صفحه¬ي مبنا غلبه نمايد؛ و در اين لحظه، ذره شروع به حركت بر روي صفحه¬ي مبنا مي‌نمايد. در مورد ذرات بيولوژيكي، افزايش بيش‌ازحد اين نيروي فشاري ممكن است سبب رسيدن آسيب به سلول جابه‌جا شده گردد. در فرآيند بيومنيپوليشن مكانيكي، مهم-ترين گام در آغاز شبيه¬سازي، شناخت دقيق مكانيك تماس بين نانوذره/سوزن تيرك و نانوذره/ صفحه¬ي مبنا مي¬باشد. لذا، نخستين بخش اين رساله شامل شناسايي كامل مدل¬هاي مختلف مكانيك تماس و بررسي امكان استفاده از هر يك از اين مدل¬ها با توجه به خصوصيات بيولوژيكي ميكرو/نانوذرات زيستي و محيط بيولوژيكي منيپوليشن مي‌باشد. همچنين اين بخش، توسعه¬ي هر يك از اين مدل‌ها با توجه به تغيير شرايط محيطي و تغييرات محيط هوا به محيط مايعات بيولوژيكي و نيز تغيير ذرات هدف از نانوذره¬ي طلا به ميكرو/نانوذرات زيستي را دربرمي‌گيرد. تمامي مدل¬هاي تماسي توسعه داده‌شده در اين بخش، تغيير شكل كمتري را براي نانوذرات طلا در مقايسه با نانوذرات زيستي بررسي‌شده نشان مي¬دهند. همچنين مدل¬هاي تماسي توسعه‌يافته بيان‌گر تغيير شكل بيشتر مخمرها و نانوباكتري¬ها در اثر نيروي وارده¬ي يكسان در مقايسه با نانوذرات دي‌اِن‌اِي و پلاكت‌ها مي‌باشد. ميكروسكوپ نيروي اتمي يك ابزار منحصربه‌فرد جهت منيپوليشن است؛ و به دليل اين‌كه اين وسيله مي‌تواند شرايط فيزيولوژيكي را براي نمونه¬هاي مختلف بيولوژيكي حفظ نمايد، بيش از ديگر ابزارها در محيط مايع به كار مي¬رود. از آن¬جا كه تاكنون، مدل¬سازي ديناميكي منيپوليشن در محيط‌هاي بيولوژيكي جهت جابه‌جايي ميكرو/نانوذرات زيستي صورت نپذيرفته است، بخش دوم اين رساله شامل مدل¬سازي ديناميكي ميكرو/نانوذرات زيستي در محيط‌هاي مختلف بيولوژيكي شامل آب، الكل و به‌ويژه پلاسماي خون و بررسي و شناسايي كامل نيروهاي موجود در اين محيط‌ها و برهم¬كنش¬هاي بين اين محيط‌ها و ميكرو/نانوذرات زيستي مي¬باشد. با مقايسه¬ي نتايج به‌دست‌آمده در اين بخش مشخص مي¬گردد كه نيرو و زمان بحراني منيپوليشن در محيط آب نسبت به محيط هوا براي نانوذرات طلا و مخمر افزايش اندكي را نشان مي‌دهد. نتايج به‌دست‌آمده همچنين بيان¬گر اين امر است كه نيروي بحراني منيپوليشن براي ذرات استوانه¬اي نسبت به ذرات كروي بيشتر مي¬باشد. در بخش سوم، ابتدا به شبيه¬سازي منيپوليشن ذرات زيستي مختلف شامل مخمر، دي‌اِن‌اِي و پلاكت با شكل دقيق و با در نظر گرفتن هندسه¬ي استوانه¬اي پخ¬خورده براي اين ذرات، پرداخته شده است. سپس با با كاهش طول قسمت استوانه¬اي و نزديك نمودن شكل استوانه¬ي پخ‌خورده به كره، نتايج به‌دست‌آمده صحه¬سنجي شده و درستي شبيه¬سازي¬ها تأييد شده است. در قسمت بعدي به بررسي ضرايب سختي تيرك¬هاي مختلف پرداخته و منيپوليشن با استفاده از تيرك¬هاي V-شكل و خنجري مورد بررسي قرار گرفته و نتايج به‌دست‌آمده با نتايج موجود براي تيرك¬هاي مستطيلي مقايسه شده است. در انتهاي اين بخش يك بسته¬ي نرم¬افزاري جامع ارائه شده كه شامل رسم نمودارهاي مختلف نيرويي، نمودارهاي مدل¬هاي مكانيك تماس و نمودارهاي منيپوليشن بوده و قابليت¬هاي مختلفي ازجمله انتخاب شكل ذرات، محيط منيپوليشن و مدل تماسي مورد نظر را دارا مي¬باشد. نتايج اين بخش زمان بحراني كمتر در منيپوليشن با استفاده از تيرك V-شكل را نشان مي‌دهند. همچنين نتايج به دست آمده نشان مي‌دهند كه تيرك خنجري به دليل سختي بالا نيروي بحراني كمتري را جهت منيپوليشن نياز دارد. در بخش نهايي ابتدا به امكان‌سنجي كار تجربي پرداخته شده و پس از عكس‌برداري با ميكروسكوپ نيروي اتمي از نتايج به دست آمده جهت تعيين شكل دقيق، شناسايي خواص و تعيين پارامتر زبري سطح ميكرو/نانوذرات زيستي استفاده شده است. پس از آن به آناليز حساسيت مدل¬هاي مختلف تماسي جهت به دست آوردن تأثير پارامترهاي مختلف بر مدل¬هاي تماسي، به‌منظور منيپوليشن هر چه دقيق¬تر ميكرو/نانوذرات بيولوژيكي بررسي شده و از نتايج به‌دست‌آمده جهت انتخاب مدل تماسي مناسب به‌منظور منيپوليشن ذرات زيستي استفاده‌ شده است. سپس ‌به بررسي نقش شرايط محيطي مختلف بر منيپوليشن ميكرو/نانوذرات زيستي با استفاده از آناليز حساسيت به دو روش مختلف گرافيكي و آماري پرداخته‌شده و نقش شرايط محيطي و نيروهاي مختلف بر تغييرات نيروي بحراني منيپوليشن ميكرو/نانوذرات زيستي مورد تجزيه‌ و تحليل قرار گرفته است. در قسمت نهايي نيز به آناليز حساسيت مدل¬هاي اصطكاكي و ابعادي تيرك¬هاي مختلف با استفاده از مدل آناليز حساسيت سوبل و تأثير آن بر نيروي بحراني منيپوليشن پرداخته‌شده و از نتايج به‌دست‌آمده جهت مقايسه استفاده گرديده است. نتايج به دست آمده بيان‌گر اين است كه ضخامت تيرك مهم‌ترين پارامتر تأثيرگذار بر نيروي بحراني منيپوليشن و ارتفاع سوزن مهم‌ترين پارامتر تأثيرگذار بر زمان بحراني منيپوليشن مي¬باشد. واژه‌هاي كليدي: نانومنيپوليشن، ميكروسكوپ نيروي اتمي، ذرات بيولوژيكي، محيط¬هاي زيستي، آناليز حساسيت