17621

17621

مدلسازي ديناميكي فازهاي حركتي نانومنيپوليشن سه بعدي نانوذره بيولوژيكي با اعمال مدل تماسي ويسكوالاستيك

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي - بيومكانيك

ارديبهشت 1396

پروفسور محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

در اغلب تئوريهاي تماس كه از پركاربردترين آنها ميتوان به سه مدل هرتز، DMT و JKR اشاره كرد، سلولهاي بيولوژيكي بهصورت الاستيك در نظر گرفتهشدهاند كه اين فرض مناسبي نيست چراكه اين امر منجر به ناديده گرفتن تاريخچه بارگذاري ميشود و درنتيجه، گذشته تنشها و كرنشهاي وارد بر ماده درست موردبررسي قرار نميگيرد. توسعه سه مدل بيانشده از حالت الاستيك به ويسكوالاستيك، شبيهسازي و مقايسه آنها با دادههاي تجربي بهدستآمده از آزمايش دندانهگذاري سلول سرطاني MCF-7 در اين پاياننامه بيانگر آن است كه حالت ويسكوالاستيك نسبت به حالت الاستيك پيشبيني بهتري از رفتار سلولهاي بيولوژيكي ارائه ميدهد. مسئله مهم ديگر انتخاب تابع خزش مناسب براي اجسام در تماس است، بر همين اساس مدلهاي مختلف مكانيكي سلول براي هر سه تئوري موردبررسي و شبيهسازي قرار ميگيرند كه ملاحظه ميشود نتايج حاصل از تابع خزش مدل كلوين، تركيب موازي فنر-دمپر، با به نتايج تجربي نزديكتر است و نيز سادگي آن باعث ارحجيت آن نسبت به ديگر مدلها ميشود. بايستي توانايي تئوريهاي توسعهيافته در پيشبيني نتايج براي محيطهاي مايع بيولوژيكي موردسنجش قرار گيرد. گرچه پيشبيني مدلهاي ويسكوالاستيك هرتز و DMT نسبت به مدل ويسكوالاستيك JKR به نتايج تجربي نزديكتر است اما با توجه به عدم لحاظ چسبندگي، پيشبيني اين دو مدل در محيطهاي مايع بيولوژيكي داراي ضعف و خطا است؛ بنابراين در مجموع ميتوان گفت مدل ويسكوالاستيك توسعهيافته JKR در محيطهاي مختلف از صحت و عملكرد بهتري دارد و از آن براي مدلسازي و شبيهسازي فازهاي حركتي منيپوليشن سهبعدي استفاده و نتايج حاصل از آن با نتايج تئوري الاستيك متناظر مقايسه ميشود. همچنين در اين مرحله از مدلهاي اصطكاكي براي بيان دقيقتر نيروهاي اصطكاكي موجود در منيپوليشن مورد بررسي قرار ميگيرند. در بخش فعاليتهاي آزمايشگاهي خواص مكانيكي مربوط به سلول MCF-7 به دست ميآيد. در اين بخش هندسه و توپوگرافي سلول، مدول الاستيسيته و تغييرات آن در نقاط مختلف سلول با ضخامتهاي متفاوت، چسبندگي و تغييرات آن در نقاط مختلف سلول، خواص ويسكوالاستيك )شامل ضريب استهلاك و ضريب فنريت( در عمقهاي نفوذ مختلف از طريق آزمايش اندازهگيري شده و نتايج آن بيان ميشوند.

1396/04/20

1/1/1900 12:00:00 AM

In most contact theories, whose most popular one could be mentioned as three models of Hertz, DMT and JKR, biological cells have been considered as elastic material which is not an appropriate assumption. Elastic assumption in case of biological cells could lead to neglecting the loading history as a result of which the stresses and strains applied on the material would not be studied accurately. Developing the three mentioned elastic models into viscoelastic, simulating and comparing them with empirical data obtained through indentation test of MCF-7 cancer cell in this thesis have shown that viscoelastic state presents a better prediction of biological cells behavior compared to that of elastic state. Selecting the suitable creep function for objects in contact is another issue having significant importance in viscoelastic case which has been investigated. Different mechanical models of a cell have been studied and simulated for all three named theories among which the creep function obtained from Kelvin model, parallel combination of spring-damper, simplified simulation and gave more precise results for modeling due to the fact that the obtained results from this model are closer to experimental ones and it is simpler than other models. After choosing the suitable mechanical model for the cell, capability of the developed theories in predicting the results for biological liquid environments was scrutinized. Although the results of the Hertz and DMT viscoelastic models would be closer to experimental ones in comparison with viscoelastic JKR, neglecting adhesion makes their prediction in biological liquid environments weak and erroneous. Therefore, it can be concluded that the developed viscoelastic model of JKR is more accurate and has better performance in different environments than other mentioned models; so this model was used in order to model and simulate 3D manipulation moving phases and the results were compared with analogous elastic theory. For more accurate explanation of friction forces in manipulation, in this step, friction models were used. In experimental part, MCF-7 cell properties were extracted. In this section, cell geometry and topography, elasticity modulus and its variations in different point of cell with different thicknesses, adhesion and its variations in different point of cell, viscoelastic properties (including damping coefficient and spring coefficient) in different penetration depth, were obtained using experiment.