22662

مدل‌سازي ديناميكي بيونانومنيپوليشن سه‌بعدي ومسيريابي بهينه ذرات زيستي ويسكوالاستيك

دكتري تخصصي

طراحي كاربردي - بيومكانيك

1398/8/25

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

بيوتكنولوژي يكي از حوزه¬هايي است كه در سال¬هاي اخير رشد قابل توجهي داشته است و در آن نياز به ساخت و كنترل سيستم¬هاي بيولوژيكي در مقياس ميكرو و نانو شديدا احساس مي¬شود. اختراع ميكروسكوپ نيروي اتمي به¬عنوان وسيله¬اي كه قادر به لمس و حتي منيپوليشن سلول است، در اين راستا پيشرفت بزرگي به¬شمار مي¬رود. اما در فرآيند منيپوليشن با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي مدل¬سازي مراحل مختلف از قبل تماس تا حركت و رسيدن ذره به محل مورد نظر اهميت مي-يابد. يكي از موارد حائز اهميت در اين راستا جنس ذره¬ي در تماس با اي¬اف¬ام است كه روي تغييرشكل ذره در خلال تماس و فرآيند منيپوليشن تأثير بسزايي دارد، لذا در اين رساله ابتدا خواص مكانيكي سلول¬هاي سالم و سرطاني سينه نظير مدول الاستيسيته، چسبندگي، خواص ويسكوالاستيك، تابع خزش، صلبيت محوري وصلبيت خمشي استخراج گرديد. هدف از استخراج اين خواص علاوه بر كاربرد در منيپوليشن مقايسه¬ي خواص سلول¬هاي سالم و سرطاني است كه بواسطه¬ي آن مي¬توان تغييرات ناشي از سرطاني شدن سلول را بررسي نمود و از نتايج براي تشخيص و مطالعه¬ي ميزان پيشرفت بيماري بهره برد. در ادامه با توجه به عدم كارايي مدل¬هاي مكانيك تماس الاستيك براي ذرات زيستي كه علاوه بر خواص الاستيك داراي دمپينگ نيز مي¬باشند، مدل¬هاي الاستيك به حالت ويسكوالاستيك توسعه داده شد. مدل¬هاي بي¬سي¬پي، تاتارا، ام¬دي، پي¬تي¬، و سي¬اواس مدل¬هاي تجربي و نيمه¬تجربي هستند كه به حالت ويسكوالاستيك توسعه داده شدند و پس از شبيه¬سازي براي مدل¬هاي خطي و غيرخطي سلول وبررسي نتايج مشخص شد كه مدل بي¬سي¬پي نزديك¬ترين نتيجه به نتايج تجربي را ارائه مي¬دهد. از طرفي از بين مدل¬هاي مكانيك سلولي مدل كلوين-وويت علاوه برسادگي نسبت به ديگرمدل¬ها نتايج بهتر و قابل¬قبول¬تري دارد. با توجه به وجود هندسه¬هاي متنوع در بين ذرات زيستي وغيرزيستي مدل¬هاي ويسكوالاستيك در حالت كلي و براي تمامي هندسه¬ها نيز توسعه داده شدند كه در آن¬ها زبري نيز مدنظر قرار گرفته بود. نتايج نشان داد كه اين مدل¬ها نيز براي هندسه¬هاي مختلف سازگاري خوبي با نتايج تجربي دارند. مدل¬سازي و شبيه¬سازي فازهاي اول و دوم منيپوليشن مي¬تواند در افزايش دقت و كمينه كردن خطاي كارهاي تجربي تأثيرگذار باشد از اين¬رو در اين رساله فاز اول و دوم منيپوليشن اولا با استفاده از نتايج مدل-هاي تماسي توسعه داده شده و نيز خواص استخراج شده و سپس براي ذره¬ي لوبيايي¬شكل انجام شد. شبيه¬سازي¬ها براي حالت الاستيك و ويسكوالاستيك مقايسه گرديد كه نتايج نشان داد نيروي بحراني در حالت ويسكوالاستيك كم¬تر از الاستيك مي¬باشد كه با توجه به خاصيت دمپينگ و در نتيجه كاهش شتاب ناشي از تغييرشكل توجيه¬پذير است. ميكروسكوپ نيروي اتمي در رهايش دارو، نانوجراحي، ايجاد بافت و غيره كاربرد دارد، به همين دليل مرحله¬ي بعد از شروع حركت ذره نيز اهميت مي¬يابد. در اين رساله مسيريابي ذرات زيستي ويسكوالاستيك با استفاده از الگوريتم ژنتيك بهينه¬سازي شده است. بدين صورت كه تصوير واقعي سلول¬هاي اچ¬ان-5 پردازش شده و مسيريابي از بين اين¬سلول¬ها به¬عنوان موانع ثابت صورت مي¬گيرد. به¬منظور افزايش دقت و با توجه به امكان وجود موانع متحرك در مسير ذره، سه مانع متحرك در مسير در نظر گرفته شده كه پروفيل حركت مشخص دارند. از طرفي بخاطر اهميت دقت و نيز تخريب ذره و ابزار، تابع هدف شامل خطاي اي¬اف¬ام، تغييرشكل ذره و نيروي وارده بر ابزار در نظر گرفته شده و كمينه مي¬شود. نتايج با كارهاي پيشين مورد مقايسه قرار گرفته و صحت¬سنجي صورت گرفت كه مسير مشابه از بين موانع مشابه ارائه شد.

1399/09/08

Dynamic Modelling of 3D Bio-nanomanipulation and Optimum Path Planning for Viscoelastic Biological Particles

11/15/2020 12:00:00 AM

Biotechnology is one of the fields which has been grown significantly in recent years and the need for manufacturing and control of the biological systems in micro/nanoscale felt strongly in that. Atomic force microscopy invention as a device capable of touching and even manipulating cell, is a great progress in this way. But in the application of the AFM in the manipulation process, the modeling of the different phases before contact until movement and reaching to the goal matters. One of the important cases in this process is the material of the particle in contact with the AFM which affects the particle's deformation during the contact and the manipulation process. So, in this thesis first mechanical properties of the healthy and cancerous cells of the breast such as elasticity module, adhesion, viscoelastic properties, creep function, bending and axial rigidities were extracted. The goal of extracting these properties in addition to applying in the manipulation, is the comparison between healthy and cancerous cells properties using that the changes of the cell according to getting cancer would be investigated and take advantage of the results in diagnosis and studying the progress of the disease. In the following, based on inefficiency of the elastic contact models for biological cells which show damping in addition to elastic properties, elastic models were developed to viscoelastic. BCP, Tatara, MD, PT, and COS are empirical and semi-empirical models which have been developed to viscoelastic and after simulation for linear and nonlinear cell mechanics models and investigating the results it became obvious that the BCP model has the closest results to experiments. On the other hand, between the cell mechanics models the Kelvin-Voigt has better and more acceptable results in addition to its simplicity. According to various geometries between biological and nonbiological particles, viscoelastic models were developed in general form and for any geometry which included roughness. Results showed that these models are also in good compatibility with experimental results for different geometries. Modeling and simulation of the first and second phase of the manipulation can affect increasing accuracy and minimizing experiments' errors, so in this thesis the first and second phase of the manipulation were developed first using developed contact models and also extracted propertis and then done for bean-shaped particle. Simulations of the elastic and viscoelastic states were compared which results show that the critical force in the viscoelastic state is less than elastic which is explainable due to the damping properties and consequently the acceleration reduction of the deformation. Atomic force microscopy is applied in drug delivery, nano-surgery, tissue production and etc. so, the phase after the particle's movement matters. In this thesis, the routing of the viscoelastic particles has been optimized using genetic algorithm. The real image of the HN-5 cells was processed and the path planning among these cells as stationary obstacles is done. To increase accuracy and since there are moving obstacles in particle's path, three moving obstacle were considered with undefined profile. On the other hand, because of accuracy importance and also cell and tool damage, the cost function included AFM error, particle deformation and the applied force on the tool which is minimized. Results were compared with the previous works and verified which gave the similar path among similar obstacles.