17462

17462

مدلسازي فرايند منيپوليشن ذرات زيستي به روش ديناميك مولكولي

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي - بيومكانيك

اسفند 1395

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

به‌منظور بررسي اثرات متقابل سلول‌هاي بيولوژيكي، اثرات داروها بر روي سلول‌هاي زيستي و ايجاد تغييرات مطلوب ژنتيكي بر روي DNA موجودات، بررسي هرچه دقيق‌تر نانوذرات بيولوژيكي يكي از كليدي‌ترين نيازهاي امروزه‌ي بشر است. در اين مسير شناسايي خواص مكانيكي اين نانوذرات مانند نيروي چسبندگي سطحي، ميزان تغيير شكل و بررسي احتمال تخريب و همچنين نحوه‌ي رفتار مكانيكي آن‌ها در شرايط متفاوت نيز يك ضرورت به‌حساب مي‌آيد. منيپوليشن نانوذرات زيستي در ابعاد نانو يكي از فرايندهاي مهم در بررسي رفتار نانوذرات بيولوژيكي است؛ زيرا ميزان نيروي وارده، ميزان تغييرشكل و بررسي احتمال تخريب در ذره مي‌تواند اطلاعات سودمندي را در اختيار ما قرار دهد. با توجه به ابعاد اين تحقيقات، انجام تست‌هاي آزمايشگاهي بسيار زمان‌بر و پرهزينه است. ازاين‌رو شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي مي‌تواند به‌عنوان يك جايگزين بسيار مناسب در نظر گرفته شود كه از طرفي منجر به صرفه‌جويي قابل‌توجهي در زمان و هزينه مي‌شود و از طرف ديگر نيز قابليت تكرارپذيري دارد. در اين پايان‌نامه به شبيه‌سازي ديناميك مولكولي سه ذره‌ي زيستي مختلف (ويروس، پروتئين و ssDNA) بر پايه‌ي نانو ربات AFM پرداخته‌شده است. هدف از انجام اين تحقيق يافتن اثر جنس زيرلايه بر روي نيروي وارده بر نانوذره و همچنين بررسي احتمال تخريب آن است. براي اين منظور از سه زيرلايه‌ي مختلف با جنس‌هاي سيليكون، گرافن و طلا استفاده‌شده است. دليل انتخاب اين زيرلايه‌ها فراواني استفاده از آن‌ها در فرايندهاي آزمايشگاهي و همچنين عدم واكنش با نانوذرات زيستي است. از سوي ديگر اثر عوامل محيطي بر نيروي منيپوليشن نيز بررسي‌شده است. اين اثرات محيطي شامل تغيير محيط منيپوليشن از خلأ به محيط آبي و همچنين اثر بار الكترواستاتيك است. منيپوليشن به صورت سه بعدي شبيه‌سازي شده است و در آن از فرايند هل دادن براي جابجايي نانوذرات زيستي استفاده شده است. از كاربردهاي منيپوليشن نانوذرات زيستي مي‌توان به آزمايشهاي مربوط به بررسي اثرات متقابل پروتئين و ليپيد، بررسي اثر داروها بر روي ويروس و در فرايند تعيين توالي DNA، اشاره نمود. نتايج نشان مي‌دهد كه بيشترين نيروي وارد به ذره، متعلق به فرايند منيپوليشن بر روي زيرلايه‌ي طلايي است و احتمال تخريب نيز در اين حالت بسيار زياد است. در مقايسه‌ي بين زيرلايه‌هاي گرافني و سيليكوني نيز مشخص مي‌شود كه نيروي منيپوليشن و تغييرشكل ذره بر روي زيرلايه‌ي گرافني بيشتر از زيرلايه‌ي سيليكوني است. با تغيير محيط شبيه‌سازي از خلأ به محيط آبي نيز نيروي منيپوليشن كاهش مي‌يابد. از طرف ديگر، با اعمال بار الكترواستاتيك مثبت به زيرلايه و سوزن در حين فرايند منيپوليشن ويروس بر روي زيرلايه‌ي گرافني شاهد افزايش نيروي منيپوليشن هستيم؛ درحالي‌كه با اعمال بار الكتريكي منفي، نيروي منيپوليشن كاهش مي‌يابد.

1396/03/23

1/1/1900 12:00:00 AM

Precise study of biological cells is necessary to investigate interactions between biological cells, drug effects on cells and inserting desirable changes on DNA. In this way, exploring mechanical properties of these particles and their mechanical behavior like adhesion force, deformation and investigating damage possibility in different situations is needed; manipulation of nanobioparticles in nano scale is an important process during the investigation of nanobioparticles; because the amount of exerted force, deformation and investigating the damage possibility can provide useful information. Experimental tests are time and cost consuming due to the scale of these researches. So, computer simulations can be good substitutions that cause a considerable decrease in time and cost. Repeatability is another advantage of computer simulation. In this thesis, molecular dynamics simulation of manipulation process for biological cells based on AFM has been done. Biological cells consist of virus, protein and ssDNA. The main goal of these simulations is investigating the material substrate effect on the manipulation force and damage possibility. For this purpose, three types of substrates have been employed. They are made up of silicon, graphene sheet and gold. Widespread using and low level interactions with other materials are the reasons of choosing these substrates. Beside, environmental effects on manipulation force have been studied. These effects include electrostatic charge and water media effect. 3D simulation of manipulation has been used. Pushing mode has been employed to move the nanobioparticles. Studing the inter actions between protein and lipid, investigating drug effects on viruses and DNA sequencing are the applications of nanobiomanipulation. Results show that on gold substrate, the maximum manipulation force occurs and damage possibility is high. Also on graphene substrate manipulation force and deformation of particle are more than the silicon substrate. Changing the simulation media into water causes a decrease in manipulation force. On the other hand during manipulation process of virus on the graphene sheet, exerting positive charge to substrate or tip, increases the manipulation force; while exerting negative charge, decreases the manipulation force.