26954

مدل‌سازي ديناميك منيپوليشن نانو ذرات ميله¬اي شكل زيستي با استفاده از كرنش¬هاي غيرخطي

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي- بيومكانيك

1396

1399/7/8

منصور عليزاده

محرم حبيب نژاد كواريم

مهندسي مكانيك

درزمينهٔ فرآيند منيپوليشن و شناسايي خواص بر پايه ميكروسكوپ نيروي اتمي با توجه به ابعاد محيط كاري و نوع ذره، نياز به مدل¬ها و روش‌هاي دقيق¬تري داريم كه بتوان به‌راحتي بر نتايج آن اعتماد كرد. ازآنجايي‌كه ذرات زيستي داراي مدول الاستيسيته پايين¬تري مي¬باشند پس نياز است كه با توجه به ابعاد، روشي مناسب براي مدل‌سازي ذرات انتخاب شود. استفاده از مدل¬هايي با تغيير شكل‌هاي بزرگ براي ذراتي با طول¬هاي بلند كه بتوان هندسه¬ي آن‌ها را به‌مانند يك تير تقريب زد در اين پايان¬نامه پيشنهاد مي¬شود. در اين پايان‌نامه با استفاده از روش¬هاي تجربي مبتني بر ميكروسكوپ نيروي اتمي، خواص فيزيكي و مكانيكي باكتري مانند هندسه و توپوگرافي سلول، مدول الاستيسيته، چسبندگي استخراج مي-شوند. در ابتدا با استخراج اطلاعات مربوط به نيرو-جابجايي، جابجايي عمودي و افقي برحسب زمان پارامترهاي اوليه براي تعيين خواص مكانيكي حاصل مي¬شوند. سپس با استفاده از نتايج تجربي به مدل‌سازي ديناميكي نانوذره پرداخته مي¬شود. با مدل‌سازي نانو/ميكرو ذره به‌وسيله‌ي مدل¬هاي مكانيك محيط پيوسته و شبيه‌سازي رفتار ديناميكي آن با روش المان محدود به بررسي رفتار و تغيير شكل ناشي از نيروي منيپوليشن پرداخته مي¬شود. ابتدا نيرو¬ها و زمان¬هاي بحراني¬ و مود غالب حركت نانوذره زيستي در فرايند منيپوليشن شبيه‌سازي گرديد در ادامه براي مدل‌سازي نانوذره، مدل¬ غير كلاسيك اويلر با تغيير شكل‌هاي بزرگ توسعه داده‌شده است. روابط به‌گونه‌اي استخراج‌شده است كه بتوان با ايجاد ماتريس¬هاي جرم و سفتي از روش المان محدود براي شبيه‌سازي ديناميك ذره بهره برد. سپس با به دست آوردن نيروهاي بحراني رفتار ديناميكي ذره در طول فرآيند، به دست آيد. تأثيرات نسبت منظر نشان داد كه با افزايش اين پارامتر تغيير شكل در ذره افزايش مي¬يابد و همچنين نيروي منيپوليشن پارامتر مهمي در تفاوت ميان مدل تغيير شكل بزرگ و تغيير شكل كوچك است.

1401/06/20

Modelling and Simulation of Manipulation Dynamics of Bacillus Subtilis Bioparticles Using Finite Element Method

9/30/2021 12:00:00 AM

In the field of manipulation process and characterization based on the atomic force microscopy, considering the dimensions of working environment, more accurate models and methods are needed that can be effectively used. Since biological particles would experience large deformations, it is imperative to develop an appropriate model for particle modelling based on the particle size. In this paper, the use of models with large deformation assumptions for longitudinal particles was suggested that can be geometrically considered as a beam. By modelling nano/micro particle using the continuum mechanics theory and dynamical simulation based on the finite element method, the dynamic behaviour and shape deformation caused by manipulation force could be studied. Hence, the manipulation of biological particles with cylindrical shape, named Bacillus Subtilis, with a diameter of 6.0 μm and a length of 3 μm on a silicon substrate by surface energy of ω = 0.2 j/m2 was investigated. Critical time and forces and the dominant motion mode of biological nanoparticles in the manipulation process was simulated and the Euler-Bernoulli theory was employed to investigate the dynamic behaviour of biological nanoparticles. After discretization of governing equations of motion for applying in the finite element model and by using the Galerkin method, of mass and stiffness matrices were extracted and critical forces were calculated to examine the dynamic behaviour of particles. The effect of aspect ratio showed that by increasing this parameter, the deformation in the particle increased. Also, the manipulation force was an important parameter in the difference between the small deflection and large deflection models.

مدل ديناميكي , باسيلوس سوبتيليس , منيپوليشن , ميكروسكوپ نيروي اتمي , المان محدود

Dynamics modelling , bacillus subtilis , manipulation , Atomic Force microscopy , Finite element method

Zahra Raeisi

Dr. Alizade