شماره ركورد
33481
پديد آورنده
محبوبه مهرباني
عنوان
منيپوليشن سه بعدي نانوذرات زيستي با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي دو سوزنه در محيطهاي مختلف
مقطع تحصيلي
دكتراي تخصصي
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1399
تاريخ دفاع
1404/02/17
استاد راهنما
دكتر محرم حبيب نژاد كورايم
استاد مشاور
دكتر صادق صادق زاده
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
امروزه شناسايي سرطاني شدن سلولهاي زنده بر پايهي خواص مكانيكي و توپوگرافي سطح، به عنوان روشي غيرتهاجمي در تشخيص سرطان موردتوجه قرار گرفته و ميكروسكوپ نيروي اتمي با دقت نانومتري و قابليت آزمون در شرايط فيزيولوژيكي، ابزاري قدرتمند براي مطالعه سلولهاست كه البته چالشهايي مانند سرعت پايين نمونهبرداري و احتمال آسيب به بافت زنده را نيز به همراه دارد.
براي رفع محدوديتهاي موجود در منيپوليشن سلولهاي زيستي، مدلسازي اين فرآيند با هدف تعيين محدوده نيروي مجاز بدون آسيب پيشنهاد شده است. در اين پژوهش، با تمركز بر محيطهاي مرطوب، تأثير سه عامل اصطكاك، چينخوردگي و چسبندگي بر مدلسازي بررسي شده و نمونههايي از سلولهاي سالم و سرطاني سينه و خون، به همراه گلبولهاي قرمز سالم و مبتلا به تالاسمي مينور مطالعه شدهاند. رفتار تماسي سلولها با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي و مدلسازي مكانيك تماس، همراه با آزمون تجربي تحليل شده و از نظريههاي مختلف مكانيك تماس بهره گرفته شده است. همچنين، از شبيه¬سازي مكانيك تماس گلبول قرمز به كمك نرم¬افزار COMSOL به منظور صحت¬سنجي مدل¬سازي¬هاي رياضي كمك گرفته شده و مناسب¬ترين زاويه قرارگيري دو سوزن ميكروسكوپ نيروي اتمي نيز با استفاده از اين روش مطالعه شده است.
نتايج نشان داده كه در مقياس نانومتري به دليل ناچيز بودن نيروهاي چسبندگي و كوچك بودن عدد Tabor، تئوري Derjaguin-Muller-Toporov نسبت به تئوري Johnson-Kendall-Roberts دقت بيشتري ارائه داده است. همچنين در شرايط افزايش تغيير شكل سلولي، تئوريهاي Tatara و Chang عملكرد بهتري از خود نشان دادهاند. تيرك V-شكل به دليل انعطافپذيري بالا نيز به عنوان ابزار مناسبي براي منيپوليشن سلولهاي زيستي انتخاب شده كه در حالت دو سوزن، با زاويه 120 درجه عمق فرورفتگي در سلول را براي هر سوزن تا 26 درصد نسبت به حالت تك سوزنه كاهش داده است. همچنين، افزايش چگالي و ويسكوزيته محيط اطراف سلول موجب افزايش عمق فرورفتگي در نيروي تماس ثابت ميشود. براي آمادهسازي نمونههاي سلولي نيز از دو روش «تازه نگهداشتن» و «ثابت نگهداشتن» استفاده شده تا از تجمع ناخواسته سلولي جلوگيري شود. نتايج نشان داده است كه سرطاني شدن سلول سينه و گلبول سفيد، ابعاد آنها را كاهش داده است. به عنوان نمونه، ابعاد سلول سرطان خون نسبت به گلبول سفيد سالم در حالتهاي «ثابت» و «تازه نگهداشتن» بهترتيب تا 45 تا 61 درصد و 48 تا 63 درصد كوچك¬تر شده است. همچنين، سرطاني شدن موجب كاهش مدول الاستيك سلول سينه و افزايش آن در گلبول قرمز شده است. مدول الاستيك سلول سرطان خون در دو حالت مذكور به ترتيب 45/1 و 85/0 كيلوپاسكال اندازهگيري شد كه نسبت به گلبول سفيد سالم بهترتيب 23 درصد و 5 درصد افزايش نشان ميدهد. بررسيها نشان داد كه سرطاني شدن تأثير قابلتوجهي بر توپوگرافي سلول سينه و گلبول سفيد ندارد. با اين حال، سلولهاي سرطان خون در حالت «تازه نگهداشتن» تغيير شكلپذيري بيشتري دارند، بهطوريكه مدول الاستيك آنها 17 درصد كمتر از حالت «ثابت نگهداشتن» است. همچنين، نيروي چسبندگي و كار چسبندگي در اين حالت افزايش يافته است. در مجموع، مشخصهيابي مكانيكي سلولها نسبت به تحليل توپوگرافي، روش مؤثرتري براي تشخيص سرطاني بودن آنها محسوب ميشود.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/03/21
عنوان به انگليسي
Three-dimensional manipulation of biological nanoparticles using a dual-probe atomic force microscope in various environments
تاريخ بهره برداري
5/7/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محبوبه مهرباني
چكيده به لاتين
In recent years, identifying cancerous transformations in living cells based on their mechanical properties and surface topography has gained attention as a non-invasive method for cancer diagnosis. Atomic force microscopy, with its nanometric precision and capability to operate under physiological conditions, serves as a powerful tool for studying cells. However, challenges such as slow scanning speed and the potential risk of damaging living tissues still exist.
To overcome these limitations, manipulation process modeling has been proposed to determine the permissible force range for non-damaging manipulation. In this study, to enhance the accuracy of cell manipulation modeling in liquid environments, the effects of three key parameters—friction, folding factor, and adhesion—were analyzed. Given the increasing incidence of breast cancer and hematological malignancies in recent years, healthy and cancerous breast cells, healthy and cancerous blood cells, as well as healthy red blood cells and minor thalassemic red blood cells were studied using atomic force microscope. Contact mechanics modeling and experimental testing were conducted on these samples for a more precise analysis of the contact behavior of these cells, various contact mechanics theories were applicated. Additionally, red blood cell contacts mechanics simulations using COMSOL software have been employed to validate the mathematical modeling, and the optimal positioning angle of the two AFM probes has also been investigated using this method.
The results indicated that at the nanometric scale, due to negligible adhesive forces and the small Tabor number, the Derjaguin-Muller-Toporov theory provides a more accurate description compared to the Johnson-Kendall-Roberts theory. However, in cases of significant cellular deformation, the Tatara and Chang contact theories offer higher accuracy. Additionally, V-shaped cantilevers were found to be a more appropriate choice for biological cell manipulation due to their high flexibility. In the dual-probe configuration with a 120-degree angle, it has reduced the indentation depth into the cell by up to 26% for each probe compared to the single-probe mode. Furthermore, environmental property analysis demonstrated that with increasing density and viscosity of the surrounding medium, the indentation depth under an identical contact force increase. For cell sample preparation, two methods—"fresh" and "stamp" state—were employed to prevent unwanted cell aggregation. The results showed that breast and white blood cell malignancy reduced their dimensions. For example, leukemia cells in "stamp" and "fresh" state conditions were at least 45% and 48% smaller, and at most 61% and 63% smaller compared to healthy white blood cells, respectively. Moreover, while breast cell malignancy decreased its elastic modulus, red blood cell malignancy increased it. The elastic modulus of leukemia cells in "stamp" and "fresh" state conditions was measured as 1.45 kPa and 0.85 kPa, respectively, showing an increase of 23% and 5% compared to healthy white blood cells. Importantly, cancerous transformation did not induce significant changes in the topography of breast and white blood cells. Additionally, leukemia cells in the "fresh state" condition exhibited greater deformability, leading to a 17% lower elastic modulus than in the "stamp state" condition. Moreover, the adhesion force and work of adhesion of leukemia cells were significantly higher in "fresh state" compared to "stamp state". Overall, these investigations revealed that while cancerous transformation does not notably alter cell topography, mechanical characterization of cells provides a more suitable approach for assessing their health status.
كليدواژه هاي فارسي
ميكروسكوپ نيروي اتمي دو سوزن , مكانيك تماس , نانومنيپوليشن , نانوذرات زيستي , محيط سيال
كليدواژه هاي لاتين
double-tip atomic force microscope , contact mechanics , fluid environment , biological nanoparticles
Author
Mahboube Mehrabani
SuperVisor
Dr. Moharam Habibnejad Korayem