بخشی از مقاله
تعیین کرنش سلولی توسط نیروی ریز اتمی ترکیبی و نمونه سازی المان محدود
خلاصه:
بسیاری از قسمت ها محیط های مکانیکی خود را بعنوان یک نتیجه از تغییرات فیزیکی یا عیوب وفق می دهند.سلول ها با هم برای این مرحله آشکار کننده و موثر می باشند.اگر چه خیلی از مطالعات روشن و واضح عملی شده است تا به مکانیزم آشکار کننده ها و سازگارکننده ها با کشش های مکانیکی رسیدگی شود.
سلول های کششی ناشناخته باقی می مانند ونتایج تفاوت تکنیک های شبیه سازی را نمی توان مقایسه کرد.با ترکیب تعیین تجربی مقطع برشی سلول الاستیکی توسط نیروهای ریز اتمی با نمونه سازی المان محدود و محاسبه ی دینامیک سیال.ما توزیع اعمال شده روی سلول های تحت کشش توسط تکنیک های کششی همه ی سلول های معمول و تکنیک های دستکاری ریز را گزارش کردیم.ازاین رو مقایسه ی آنها ممکن خواهد بود.استفاده از اطلاعات در تجزیه و تحلیل ها و آزمایش ها توسط یکدیگر عملی خواهد بود.ما آستانه ی فعالیت برای
سیگنال متفاوت مبدل فرآیند و اجزای کششی که آنها ممکن است کشف کنند راامتحان کردیم.ما تعدیل سلول های الاستیکی را توسط افزایش تابش-F که محتوایی از سایتوسکلوتن دارد را نشان دادیم.ضریب پواسان طرح های عملیاتی خوبی هستند برای تحمل در برابر تنش برشی سیال یا فشارهیدرواستاتیکی.ما گزارش کردیم که وقتی سیال سرگردان در بعضی سیستم های الاستیکی لایه ممتد جریان می یابد کشش سلولی قابل توجه می شود.
در خاتمه، این فن آوری در دوردست نویدی را نشان می دهد برای فهمیدن اثرمتقابل در طول مدت اعمال نیروی مکانیکی.کشف کشش.شرح و بیان عامل موجود.و سازگاری سلولی در طبیعت و عیوب.
مقدمه:
بسیاری از قسمت ها محیط های مکانیکی خود را سازگار می نمایند:استخوان بندی جدید در پاسخ به دسته ی تمرینی عالی ترکیب شده اند.قلب و عروق به صورت روان و یکنواخت ماهیچه ها را با فشار پمپ وفق می دهند.ساختار ماهیچه ها خود را با مراحل تمرینی وفق می دهند.آشکار کننده ها و سازگار کننده ها با کشش های مکانیکی که توسط سلول های تشکیل شده ی این اعضا اعمال می شوند.
بسیاری از آزمایش ها به صورت وا ضح سلول های آشکار کننده و وفق دهنده با تحریک مکانیکی مشخص شده اند که از یک نوع طرح برای اعمال شبیه سازی مکانیکی استفاده می کنند:سلول های خاتمه گر برای 24ساعت به جریان سیال می پیوندند که آشکار کننده ی جریان را پیوسته و یکنواخت به صف در می آورد ونوسان فشار برشی سیال می تواند کلسیم زود گذر از یک نوع از انواع سلول های آورده وآنرا به زیرلایه ی ممتد منطقه ای عمودی به مسیر کشش واگذار می کنند کندرسایت تناوب فشار هیدرواستاتیکی که افزایش می یابد را به ترکیب سنتز واگذار می نمایند.سلولهای استخوان ساز غلظت کلسیم سلول های ورودیشان را افزایش می دهد وقتی که ضربه ی ریز یا کشش از طریق میکروب های مغناطیسی
پیروی می کند.شرح عامل موجود سلول های خاتمه گر وقتی که از پیچ میکروبی پیروی می کنند افزایش می یابد.روش عملی شبیه سازی مکانیکی که می توان به طور کلی به دو مقوله تقسیم می شود:آن دسته که شبیه سازی را فراترازهمه ی سلول اعمالمی کنند(زیر لایه ی ممتد.برش سیال. تناوب فشار هیدرواستاتیکی) وآن دسته که به تنهایی بخش کوچکی از بدنه ی سلول را شبیه سازی می کنند(ضربه ی ریز.پیچ میکروبی.کشش میکروبی).نتایج بدست آمده با یک سیستم کششی در مقام مقایسه مشکل تر است با نتایج بدست آمده از روش دیگر.
درحقیقت.سلول ها بیشتر شبیه تغییر شکل پذیری آشکاری هستند که بروی ساختارشان یا در مهندسی ترم کشش (تغییر شکل پذیری در بخش طولی)اعمال می شود.شناخت توزیع کشش در سطح سلول ها نتیجه را قادر می سازد تا از تکنیک های کششی متفاوت که با یکدیگر مقایسه می شوند. ونتیجه ی ساختار فیزیکی آنها آنالیز می شود. تکنیک های معمول مهندسی ازجمله محاسبه ی دینامیک سیال(CFD )یا نمونه سازی المان محدود می تواند برای محاسبه ی فشار برشی نتیجه
شده از جریان سیال یا توزیع کشش لازم برای شبیه سازی مکانیکی مورد استفاده قرار بگیرد.(CFD )سرعت وتوزیع فشار تولیدی را قادر می کند تا جریان سیال بالای یک سطح را مشخص کند وبنابراین توزیع فشار برشی می تواند تعیین شود.CFD با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است تا به جریان خون در میان شریان و شاخه های آن رسیدگی شود.باربی فشارهای برشی لازم را که سیال بالای یک سلول خاتمه گر یک لایه که متعلق است به توپوگرافی که با استفاده از نیروی اتمی ریز بدست آورده شده است(َAFM). جریان یابد.این در
رابطه با (FEM ) می تواند سلول های کششی استخراج شده توسط فشار برشی سیال را تسلیم کند.درحقیقت FEM به توزیع کششی لازم اجازه می دهد که به بارگیری و شرایط مرزی اعمال شده روی یک ساختار که به اجزای ماده که شناخته شده و تعیین شده هستند نظم ببخشد.FEM نمونه سازی وتعیین توزیع کشش در همه ی اعضا از جمله استخوان و غضروف یا دیواره ی شریانی را با موفقیت عملی کرده است.اما آن به ندرت در سلول های انفرادی لازم که کمبود دقیق اطلاعات در اجزای مادی سلول ها یا صورت و شکل ظاهری آن عملی شده است.رایمر-مک ردی وهالیستریک سلول جانبی را نمونه سازی کردندکه آن را در شکافی که در کشش اعمال شده در سلول توسط یک تراکم یکنواخت از قالب در هر کدام
که جا داده می شود جا می دهند. گولاک و مو و وو دهرزوک یک کندروسایت محاط را در یک قالب کارتیلجینوس نمونه سازی کردند.در همه ی سه مورد سلول ها بعنوان کره با اجزای متشابه ویک جور نمونه سازی می شوند.از این رو پتانسیل نامتشابه در اجزای مواد یا توپوگرافی نادیده گرفته می شود.دیگری نمونه ی المان محدود است که روی اجزای مواد سلولی پیش بینی شده از ساختار سایتوکلتال متمرکز شده است.پیش بینی اصلاحات سایتوکلتون یا تکامل تدریجی شکل ظاهری سلول در پاسخ به تنفس ریز لوله ای.اگر چه روش های زیادی از اندازه گیری حجم اجزای مواد سلولی استخراج می شود.فقط AFM قادر است مقطع طولی سه بعدی از سطح سلول را که در قرارداد بالا با توزیع اجزای موادشان با همدیگر بدست آورد.
دراین مطالعه ما AFM رابا FEM وCFD ترکیب می کنیم که نتیجه ی توزیع کشش از تکنیک های شبیه سازی مکانیکی همه ی سلول های معمول محاسبه می شود.تجارب بدست آمده از مقطع طولی سلول ونقشه های بدست آمده از اجزای مواد توسط (AFM)نمونه ی المان محدود را در سه بعد منعکس می کنند.سری های مختلف مرزها و یادآوری شرایط اعمال شده به نمونه ی سلول که در آزمایش های کششی(زیر لایه ی ممتد.برش سیال و فشار هیدرواستاتیکی متناوب) شبیه سازی شده است .آزمایش های میکروسکوپی معمول(کشش وپیچش ریز.کشش ریز لوله ای) که روی یک حجم زیر سلولی کوچک نمونه سازی شده است و توزیع کشش که با سنجش آزمایش های کششی همه ی سلول ها محاسبه شده
است.سازگاری سلول ها به فشارهای مکانیکی توسط افزایش میزان الاستیک سلول و امتحان آنچه روی توزیع کشش اثر می گذارد شبیه سازی می شود.پارامترهای مختلف مربوط به روش های شبیه سازی شده متنوع می باشند واثرهای آن ها روی توزیع کشش امتحان شده است.علاوه بر این.ماازاین نمونه سازی ها استفاده می کنیم تا حجم کشش نتیجه شده ازآزمایش ها توسط گروه های دیگررا محاسبه کنیم ومقایسه ی اندازه ی کشش ها که نیازاست یک کشف مکانیکی گزارش شده وجواب سلولی پایین دست آغاز شود.
در خاتمه، ما برای اولین بار کاربرد واستعمال AFM در پیوستگی با FEM و CFD برای محاسبه ی توزیع کشش در نتایج سلول ها از روش های معمول شبیه سازی مکانیکی را گزارش می دهیم.دانستن این توزیع کشش آزمایش های کشش متفاوت را که با یکدیگر مقایسه می شوند را ممکن خواهد ساخت.به علاوه. این اطلاعات باید به درک ما ازچگونگی کشش های ایجاد شده توسط تکنیک های کششی معمول کمک کند که در سلول های متفاوت درراه هایی که علامت گذاری می شوند و مشخص شده اند استفاده می شوند.
مواد و روش ها
اطلاعات آزمایش:
کشت سلول
سلول ها ی استخوان سازازاستخوان های طویل موش های تازه تولد یافته توسط محیط منفرد مکانیکی و کشت شده برای 72 ساعت در 37 درجه ی سانتیگراددر اتمسفری که 5% آن CO2 در هوا در DMEM مجزا شده است که با 10% CFS -2% گلوتامین-2% پنی سیلین استروپتومیسین- 2% HEPES 1 مولاربا 7 PH کامل می شود.
مصونیت در مقابل آلودگی و ریز کانونی
مصونیت در مقابل آلودگی بعنوان یک تشریح در (نسبیت و هورتن).به طور خلاصه سلول ها در حل PBS ثابت شده اند که 2% فرمالدئید و0.1% کلوترالدئیدرا شامل می شود.ونفوذ پذیری در یخ سرد تریتون X-100 محلول بافر برای 5 دقیقه در 4 درجه ی سانتیگراد .آن ها آنتی-پاکسیلین تولیدی را بیرون می آورند.یک تماس پروتئینی کانونی برای 30 دقیقه . FITC برچسب دار بز ضد آنزیم های بدن موش. برای 30 دقیقه.و ردامین-پالودین. برای 30 دقیقه.همه ی پوششهای لبه ای با یک شناوری خارجی روغن ×100 روی یک لیکای کانونی ریز روان TCSNT مصور شده اند.تصویر لامپ مهتابی به صورت منظم درگام 0.4 میکرو متر با نشر طول موج 568-488 نانو متر برای FITC و TRITC حامل فلوئور به ترتیب جمع آوری می شوند. بااستفاده از نرم افزارایماریس در یک کارگاه O2 SGI تصاویر پردازش می شوند.
نیروهای اتمی ریز
یک میکروسکوپ حرارتی جستجوگر روی یک میکروسکوپ معکوس وصل می شود.که برای بدست آوردن خواص مواد سلول ها استفاده می شود.اندازه گیری انجام شده برای استفاده ی ایمن از پایه ی V شکل با نوک هرمی واین در هوا قبل از آزمایش واسنجیده می شود.
سلول های استخوان ساز روی سطحی شیشه ای که به نمونه ی نگهدارنده وامتحان شده در محلول بافر ساختارشان انتقال می یابند پرورش داده می شوند.
برای هر سلول منحنی مسافت - نیرو در نقاط روی یک شبکه ی 50×50 یا 100×100 جمع می شوند سرعت نزدیک استفاده برای منحنی مسافت - نیرو 5 میکرومتر بر ثانیه که ویسکوزیته ی سلولی را که الاستیک سلولی آن حدس زده شده را به حداقل می رساند.
اندازه گیری خاصیت ماده
خواص مواد سلولی بعنوان تشریح در ردمچر ارزیابی می شود.به طور خلاصه به نصف فضای متشابه فرض می شوند و مخروط نوک تیز یک نیروی F نیاز است تا یک تو رفتگی با عمق (دلتا) در نصف صفحه با مدول E است:
با (آلفا)زاویه ی باز از مخروط نوک تیز و (نو) ضریب پواسان منطقه ای.دانستن سفتی پایه و تئوری مناسب منحنی اطلاعات تجربی.مدول های الاستیک می توانند کاهش پیدا کنند.ضریب پواسان سلول ها 0.3 فرض می شود .که مطابق با اندازه گیری در سلول های زنده لازم است که تجربی انتخاب شود.ارزش ضریب پواسان بعنوان تجارب بدست آمده از منحنی مسافت - نیرو که مناسب است با Eq.1.الاستیک سلولی وضریب پواسان نمی توانند با تسلیم شوند.یک نوشته ی مرسوم برای اجرا کردن در زیر موج PV در یک کارگاه O2 SGI برنامه ریزی می شود که مناسب است با منحنی مسافت - نیرو به صورت خودکاراستفاده می شود.تجزیه و تحلیل فاصله ی نقشه ی خاصیت ماده را می توان توسط محاسبه ی قطر دایره ی ناحیه ی اتصال سلول با مخروط نوک تیز حدس زد.استفاده از Eq یکی از راه ها یی است که می توان (دلتا)را پیدا کرد و فرض بر اینکه دندانه ی تیزمخروط قطر دایره ی تماس می باشد.از این رو شبکه ی. 100×100 .که خواص ماده ی نمونه درهر ریزسنجی بالا ترین دقت که می تواند بدون فاصله ی نیمه نیمه زیاد در اندازه گیری بدست آید.
نمونه سازی رقمی برای مدل های مکانیکی همه ی سلول ها
َAFM به صورت اجمالی ده سلول استخوان سازرا که به صورت نمونه المان محدود سه بعدی ترکیب شده با اندازه گیری تجربی الاستیکی و نقشه برداری استفاده شده ازبرنامه ی نوشته شده ی مرسوم به طور مداوم مادون موج pv معکوس می شوند را مورد بررسی قرار می دهد.
تولید همه ی سلول های مدل
سلول ها در حقیقت اززیرلایه ی آزمایشگاهی وصفحه بندی روی یک زیرلایه ی تخت با مدول یانگ 4Gpa گرفته می شوند.نمونه یک المان 50×50 درمسیرهای x وy.نتیجه در2 میکرومتر 7000 المان می باشد.تجزیه در مسیرz انتخاب آن به همان صورت مسیرهای x وy می باشد.یک منطقه ی اضافی 20 میکرومتری عریض به اطراف نمونه اضافه می شود که اثر مرزها را کاهش می دهد. زیرلایه دو المان ضخیم می باشد.تعداد المان ها در مکان گرفته شده توسط سلول با ارتفاع تقسیم شده توسط تجزیه ی محور z برابرمی باشد که برای عدد صحیح
بعدی جمع آوری می شود.بیشتر سلول ها بین یک و دو المان در ارتفاعشان می باشند.سلول وزیرلایه در طول تماس سطحشان در حد یکنواخت نسبتا پیوستگی مرکب سلول مرکزی به صورت عدد مجزای نکته ی نشان داده شده فرض می شوند.سلول ها وزیرلایه با پارامترهشت قسمتی المان حجمی نمونه سازی می شوند.بدلیل اینکه مدول الاستیک متغیردرداخل یک سلول بزرگترین عدد می باشد. توزیع سلولی در ده خاصیت ماده ی بدست آمده گروه بندی می شوند با پیروی ازالاستیک های:
که حداکثروحداقل الاستیک سلول نمونه سازی شده را بیان می کند.
نمونه ی فیزیکی
همانقدر که ما علاقه مند هستیم تا در حل استاتیکی برای همه ی سلول های کششی همه ی مواد به صورت الاستیک خطی وایزوتروپ فرض می شوند.
سلول ها و زیر لایه یک ضریب پواسان 0.3 دارند.شرایط مرزی ونیروی اعمال شده بروی نمونه ی شبیه سازی شده به زیر لایه ی ممتد یا فشارهیدرواستاتیکی متناوب اختصاص داده می شود.
معادلات مکانیکی پیوسته ی الاستیک خطی برای پیدا کردن توزیع کشش اعمال شده روی سلول حل می شوند.در ساده ترین عبارت.کشش مهندسی می تواند بعنوان تغییر طول در هر بخش طولی تعریف شده باشد.کشش مهندسی معمولا براینکه در صد تغییر طول یا کشش میکرونی با 1% کشش دلالت می کند. محاسبات همه ی المان های محدود شده با (CAST3M)انجام می شودهدف اصلی حلال المان محدود با محل ما قبل محل پردازش کامل می شوند و با یکدیگر
روی یک SGI O2 یا یک استاندارد pc اجرا می شوند.
شرایط مرزی
زیر لایه ی ممتد:برای شبیه سازی زیر لایه ی ممتد یک جابه جایی برابربا 0.1% امتداد درجهت محورxها به یک انتهای زیرلایه اعمال می شود دو طرف دیگر در محورxها تحت فشار می باشد.در کنار خطوط موازی عبور کرده ازمحورxها در محورyها تحت فشار می باشد.قسمت تحتانی کنارزیرلایه درمحورzها تحت فشار می باشد.
ارزیابی اثرضریب پواسان سلول در حجم کشش ضریب پواسان در همه ی شبکه ها بین 0.2 و0.5 متغیرمی باشد زمانی که روی زیرلایه ی 0.1% در طول محورxها اعمال می شود.ارزیابی اثرمسیرلایه زیر لایه مسیرشبیه سازی شده ی زیرلایه وزاویه ای که با محورxها دارد زمانی که ادامه ی حجم زیرلایه و ضریب پواسان پایدارمی باشد متغیر است بین 90 60 45 30 0 درجه.این تجزیه و تحلیل ها روی یک نمونه سلول استخوان ساز فقط انجام می شود.
توزیع کشش برای دیگر سلول ها به همین نحو لازم طبیعت الاستیک خطی نمونه ی مکانیکی را تغییر می دهد.
فشارهیدرواستاتیکی متناوب:برای تجزیه ی فشارهیدرواستاتیکی متناوب در قسمت تحتانی کنارزیرلایه کاملا تحت فشارقرارگرفته و یک فشارهیدرواستاتیکی 5 Pa که به قسمت نوک سطح اعمال شده است.(همه ی شرایط مرزی در شکل 3A نشان داده شده است)ارزیابی اثر ضریب پواسان روی توزیع کشش سلولی برای همه ی شبکه ها زمانی که ادامه ی فشارپایدار می باشد متغیراست بین 0.2 تا 0.5.این تجزیه و تحلیل ها فقط روی یک مدل سلول انجام می شود.
تولید مدل سلول جانبی
خواص مواد سلول جانبی به صورت سلول های استخوان سازفرض می شوند که سلول های جانبی و حفره هایشان بیضوی شکل هستند.ما فقط نیمه ی حفره ی سلول پیچیده را نمونه سازی کردیم.به موجب آن در نیمه ی دیگر سلول کاملا یکسان فرض می شود.شبیه سازی سلول جانبی که درقالب استخوان جا داده می شوند.سلول های مدل توسط یک لایه از قالب المان های شکل پذیر یک آجر با یک " قالب" سلول روی قسمت تحتانی کنارپوشیده می شوند.سلول و قالب در طول سطح تماسشان در حد یکنواخت فرض می شوند..قسمت تحتانی کنارزیرلایه درمحورzها تحت فشار می باشد. یک جابه جایی برابربا 0.1% امتداد درجهت محورxها روی یک انتهای بلوک قالب اعمال می شود وطرف دیگر در محورxها تحت فشار می باشد.طرفی که خطوط موازی عبور کرده از محورxها در محورyها تحت فشار می باشد.فرض می شود که قالب استخوان الاستیک 4Gpa را در توافق با اندازه گیری های تجربی حجم دارا می باشد.
نمونه سازی رقمی برای شبیه سازی برش سیال
امتحان نتیجه ی توزیع کشش ازجریان سیال روی سلول ها.محاسبات انجام شده در دو گام مجزا اول یک مدل CFD محاسبه ی خط جریان و نتیجه ی فشار برشی ازجریان روی مقطع طولی سلول بوجود می آید.دوم یک مدل FE ازسلول فشار برشی را ازشبیه سازی CFD بوجود می آورد که به مدل مکانیکی اعمال می شود.نتیجه ی توزیع کشش از این می تواند محاسبه شود.همان قدرکه تغییرشکل پذیری سلولی کوچک می باشند ما فرض می کنیم که تغییر شکل پذیری سلولی آنقدر مهم نیست که بر خط جریان اطراف مقطع طولی برش تاثیربگذارد وازاین رومانیازنداریم تا این فرآیند را تکرار کنیم.
تولید مدل ها
برای شبیه سازی جریان سیال توزیع خواص مواد ونقشه برداری به یک شبکه ی 25×25 کاهش داده شده است که تنزل محاسبات زمان آن را به نمونه ی المان محدود سه بعدی انتقال می دهد.یک ورودی ویک خروجی 10 میکرو متری عریض به کاهش اثر زود گذاراضافه می شوند.
نخست یک مدل CFD از سلول ها وسطح زیرلایه ی با المان جریان سیال حجمی خطی هشت بند بوجود می آورد(حالت 4A).مدل CFD یک ارتفاع 16 میکرو متری آن بالای چهار برابر بزرگتراز معدل ارتفاع بدست آمده ازمقطع طولی سلول را دارا می باشد.
بعنوان گام دوم یک مدل FEM سلول بااستفاده از خواص مواد ونقشه برداری که ازاندازه گیری های مکانیکی پیروی می کند بوجود آمده است (حالت 4B ).زیرلایه دو المان ضخیم ومواد سلولی یک المان ضخیم می باشد.
دینامیک سیال محاسباتی : مدل فیزیکی وشرایط مرزی
سطح سلول ازیک جریان لایه ای یک مایع غلیظ تراکم ناپذیربا یک مقطع طولی سهمی شکل پیروی می کند(حالت 4A ).مافرض کردیم که جریان روی سطح تیزنمونه مهم نیست که توسط مقطع طولی سلول و بنابراین اجبارا یک سرعت پایدارآشفته می شود.ما فرض کردیم که مهم نیست جریان سلول درمسیرمتقاطع افقی واجبارا یک شرایط نامتقاطع جریان درکنارسطح آشفته شود.سرعت روی سطح زیر لایه ی سلول اجبارا صفرمی باشد.(همه ی شرایط مرزی در شکل 4A نشان داده شده است).قوانین CFD معادله ی نویر-استوکس را بااستفاده ی ازالمان محدودنزدیک شده حل می نماید و بازده ی سرعت ها و فشارها برای هرالمان نمونه ی CFD می باشد:
تانسور فشار برشی وفشارهای برشی به دنباله ی آن محاسبه می شوند:
نمونه سازی المان محدود : مدل فیزیکی وشرایط مرزی
همه ی مواد فرض می شوند که الاستیک خطی وایزوتروپ باشند.ضریب پواسان 0.3 فرض می شوند.نمونه روی سطح پایینی کاملا تحت فشار قرار گرفته است و فشاربرشی که ازمحاسبات CFD که توسط سطح نرمال واجباری بروی برآمدگی سطح ضرب شده مشتق شده است.
تغییر پارامترهای فیزیکی
ارزیابی اثر ویسکوزیته ی سینماتیکی روی کشش سلولی.زمانی که همه ی پارامترهای پایدارادامه داده شود آن حجم بین( 0.0005 و0.004 ) متغیر می باشد.اثر ارتفاع سلول روی کشش سلولی توسط تغییرآن بین 50 و200% ارتفاع اصلی ارزیابی می شود.همه ی پارامترهای دیگر پایدارند. در نهایت تاثیر ضریب پواسان سلولی توسط تغییر سلول آن ارزیابی می شود.برای همه ی شبکه ها بین 0.2 و0.5 می باشد زمانی که دیگر متغیر ها پایدار باشند.این تجزیه وتحلیل ها فقط برای یک مدل سلول اجرا شده می باشند.مثلا سلول مدل دیگر ممکن است روش یکسانی را نشان دهد.
نمونه سازی عددی برای نمونه های دستکاری شده ی ریز
تکنیک های دستکاری شده ی ریزتحریکی مکانیکی را فقط به منطقه ای کوچک ازسلول وادار شده به کشش داخلی بزرگ اعمال می کند.بنابراین نیاز است تا توزیع کشش شبکه های نازک تربا دقت منطقی محاسبه شود.نمونه سازی همه ی سلول ها با یک پالایش شبکه ای مناسب که غیر قابل استفاده خواهد بود.به همان اندازه حافظه ی فضایی وزمان محاسبه بی اندازه لازم می شود.براساس تجارب ما درنمونه سازی دندانه ی سلولی توسط یک AFM کروی نوک تیز می باشد.ما تصمیم گرفتیم که فقط یک حجم کوچک سلول را نمونه سازی کنیم و فرض شده است که ماده ایزوتروپ والاستیک خطی می باشد.مدول های یانگ 1kpa انتخاب می شوند.حجم پایین برای خواص مواد سلولی می باشدازاین روگرفتن یک حد فوقانی ازکشش سلولی ضریب پواسان انتخاب شده است 0.3.
کشش ریز مغناطیسی
در آزمایشهای کشش ریز مغناطیسی دانه های فرو مغناطیسی با مخلوط رنگینی که روی یک لایه ی سلول پاشیده می شود و برای 30 دقیقه باقی گذاشته می شود تاته نشین شود پوشانده می شود.دانه های پوشانده شده توسط مخلوط رنگی از طریق گیرنده های حس چسبندگی سلول
های کامل مقید می شوند و سلول ها برای دور کردن دانه های بی قید چندین بار شستشومی شوند.در طول مدت آزمایش یک رشته ی مغناطیسی به سلول ها و دانه های ریز اعمال می شود که به صورت عمودی جابه جامی شود. سلول با نیروی 4pN روی سطح تماس درحال کشش است.
تعیین سطح تماس دندانه های ریزمغناطیسی با سطح سلول مافرض می کنیم که وقتی دانه های ریزباسلول ها تماس پیدا می کنند آن ها مواد سلولی را بانیروی Fw که با منفی وزن نیروی شناوری برابر است دچار تو رفتگی می کند.بدین ترتیب یک تو رفتگی باشعاع تورفتگیa بوجود می آید.
با شعاع دندانه ی R وضریب پواسان v ومدول الاستیسیته ی E وg ثابت جهانی گرانش وجرم حجمی مگنتیت وجرم حجمی آب شعاع های دانه ها 2 میکرومترانتخاب می شود.تسلیم یک شعاع تماس 0.12 می باشد.
متقارن گرفتن مشکل درمحاسبات فقط یک چهارم از فضا نمونه سازی شده یک جعبه ی 2 میکرومتری بلند درمسیرهای x وy وبا ضخامت 3 میکرومتری با پارامترهای بیست بندی المان حجمی باچگالی بالا درمنطقه ی تماس شبکه بندی شده است(به صورت سبز درحالت 5A نشان داده شده است). وبه خصوص درمرزبین ناحیه بسته شده وبازشده نمونه درجابه جایی درمسیرz در حالت پایه ودرمسیرهای x وy تحت فشارمی باشد.به ترتیب روی اطراف x وy فشاراعمال شده است(حالت 5A ). طرف دیگر آزاد گذاشته شده است.شبیه سازی فشارمغناطیسی نیروی یکنواختی به برآمدگی تیزسطح درمنطقه ی تماس اعمال می شود.منطقه ی تماس درمسیرx وy تحت فشارقرار گرفته است که به صورت اتصالات کامل بین سطح سلول ودانه شبیه سازی شده است. پارامترهای قابل کنترل آزمایشگاهی نیروی اعمال شده(بین رشته های مغناطیسی) وشعاع دانه های ریزمی باشد.
اهمیت ضریب پواسان بوسیله ی تنوع آن بررسی می شود.برای همه ی شبکه هابین 0.2 و0.5 می باشد. محاسبه ی دوباره ی شعاع دندانه برطبق آن حل برای توزیع کشش باضریب پواسان جدید با E=1kpa وF=4pN .نیروی کل به دانه اعمال می شودکه بین 2 تا 20 pN متغیر
می باشد وبرآیند کشش سلولی محاسبه شده است با E=1kpa وv=0.3.
تابیدن دانه های ریز
در طول آزمایش تابیدن دانه های ریز دانه های فرومغناطیس به پیروی ازسلول های یک قرارداد متشابه برای فشار دانه ی ریز بسته شده اند اگر چه با RGD پوشانده شده اند و دستگاه گیرنده دچارآشفتگی می شود.دانه ها برای استفاده از ضربان آهنربایی بزرگ خاصیت آهن ربایی پیدا می کنندویک رشته ی مغناطیسی خیلی کوچک برای ساختن آن هایی که می چرخنداستفاده می شود و گشتاوری به دستگاه گیرنده ی کامل سلول های سلیتوس کلتون اعمال می شود.
منطقه ی تماس دانه هابا سطح سلول بعنوان فشاردانه های مغناطیسی محاسبه شده است.مشکل فقط یک سطح هموارمتقارن است که ما بر طبق آن یک فضای نیمه را نمونه سازی کردیم(حالت 6A ).یک جعبه ی 2×4 ری درمسیرهای x وy وضخامت 3 میکرومتربا پارامترهای بیست بندی المان حجمی باچگالی بالا درمنطقه ی تماس شبکه بندی شده است(به صورت سبز درحالت 6A نشان داده شده است).وبه خصوص درمرزبین ناحیه در تماس ومنطقه ی آزاد نمونه درجابه جایی درمسیرz در حالت پایه ودرمسیرy روی سطح
هموارمتقارن ودرمسیرهای x وy تحت فشارمی باشد.به ترتیب روی قسمت جانبی x وy وروی سطح عمودی دیگرش(حالت 6A ).شبیه سازی پیچ مغناطیسی برآمدگی روی سطح تماس توسطزاویه ی(آلفا)اطراف محورy چرخانده می شود.صفحه ی تماس نیرو و فشاراعمال شده بوسیله ی استخراج برآیند جا به جایی تحمیل شده محاسبه می شود.منطقه ی تماس در مسیرx وy تحت فشارقرار داده می شود که اتصالات صحیح آن بین سطح سلول ودانه شبیه سازی شده است.روخوانی قابل تغییر برای این آزمایشها زاویه ی چرخش وکنترل از فشاراعمال شده ونگ واینگبرمتاثر می باشد.گزارش داده شده است که یک فشار حداکثر 4pa روی سطح تماس اعمال شده است.اهمیت ضریب پواسان بوسیله ی تنوع آن بررسی می شود.برای همه ی شبکه هابین
0.2 و0.5 می باشد. محاسبه ی دوباره ی شعاع دندانه برطبق آن حل برای توزیع کشش باضریب پواسان جدید با E=1kpa و.p=4pa چرخش اعمال شده روی دانه بین 5 تا 20 درجه متغیراست وبرآیند کشش سلولی محاسبه شده است با E=1kpa وv=0.3.اثرشعاع تماس تعیین شده است با توجه به تغییرآن بین 0.1 و0.6 میکرومتربا E=1kpa وv=0.3 وp=4pa .
فشارریز لوله ای
فشارریز لوله ای دندانه ی سبک سطح سلول با یک ریز لوله ی ضخیم را شامل می شود.ما فرض کردیم که این شبیه دندانه ی سطح سلول با دندانه ی کروی شکل سخت با شعاع 3 - 1.5 میکرومتری می باشد.
آزمایش شبیه به دندانه ی سلول بایک کره ی شیشه ای مستعمل AFM نمونه سازی شده است. متقارن گرفتن مشکل درمحاسبات یک جعبه ی 15 میکرومتری در واحد طول درمسیرهای x وy وبا ضخامت 4 میکرومتری با پارامترهای بیست بندی المان حجمی باچگالی بالاتر
درمنطقه ی دندانه داروبه خصوص درمرزبین دندانه ومنطقه ی آزاد شبکه بندی شده است(به صورت سبز درحالت 7A نشان داده شده است). نمونه درجابه جایی درمسیرz در حالت پایه ودرمسیرهای x وy تحت فشارمی باشد.به ترتیب روی اطراف x وy هرکدام ازدندانه ها فشاراعمال شده است(حالت 7A ) و طرف دیگر آزاد گذاشته شده است. فرض شده است که مواد سلولی ایزوتروپ والاستیک خطی می باشد. بعنوان یک کنترل اصلی درسیستم عمق دندانه ها(دلتا) می باشد.مااین رابعنوان یک پارامترداخلی درمحاسباتمان نسبت به نیروی
اعمال شده درنظرمی گیریم اهمیت ضریب پواسان بوسیله ی تنوع آن بررسی می شود.برای همه ی شبکه هابین 0.2 و0.5 می باشد. محاسبه ی دوباره ی شعاع دندانه برطبق آن حل برای توزیع کشش باضریب پواسان جدید باE=1kpa وR=3 وعمق دندانه ی1 میکرومترکه عمق دندانه بین 0.5 تا 1.5 میکرومتروبرآیند کشش سلولی محاسبه شده است با E=1kpa وv=0.3 وR=3.شعاع لوله تعیین شده است با توجه به تغییرآن بین1 و3 میکرومترباE=1kpa وv=0.3 وعمق دندانه ی 0.5 میکرومتر.
حساسیت مکانیزم های آشکار کننده های مکانیکی
بررسی حساسیت مکانیزم های آشکار کننده های مکانیکی مختلف ما پیش بینی می کنیم کشش سلولی درمطالعات شبیه سازی شده ی مکانیکی توسط ما ودیگرگروه هااستفاده شده است.هر کدام ازمکانیزم های آشکارکننده امتحان می شود( جدول 5 ).کشش ها بعنوان تشریح قبلی فرض شده است که همه ی انواع سلول ها خا صیت الاستیکی متشابهی دارند وبا استفادهE=1kpa برای مطالعات دستکاری شده ی ریز.
سازگاری با کشش مکانیکی
امتحان کارآیی افزایش الاستیسیتی سلولی برای سازگاری باتحمل کشش مکانیکی ما خواص مواد سلولی واثرامتحان شده را روی توزیع کشش سلولی تغییردادیم.برای همه ی سلول هاخواص مواد بادرصد داده شده افزایش یافته است. برای مدل های دستکاری شده ی ریزفشارریزوپیچ الاستیکی متغیر است بینkpa 0.5 تا 10 .اثرالاستیک سلولی روی توزیع کشش لازم برای فشارریزلوله ای ارزیابی نشده است به طوری که پیشنهاد می شود برای این تکنیک هیچ کنترلی روی نیروی اعمالی صورت نگیرد.به هرحال مطالعه ی قابل مقایسه برای دندانه ی AFM با کره های نوک تیزدر چراس ومانند آن اعمال شده است.
برآیند کشش سلولی ازجریان سیال سرگردان
براساس نتایج بدست آمده ازمطالعات انجام شده توسط اسچافرزیرلایه ی کششی درسیستم های مقید ومتغیروبرآیندفشارازجریان سیال سرگردان به آن سیستم هاداده می شود.ماکشش سلولی لازم را برای شبیه سازی موردنظر(کشش) باشبیه سازی غیر مورد نظر(جریان سیال) را بااستفاده ی ازنتایج FEM وCFD مقایسه کردیم.فشار برشی سیالتوسط سه سیستم مطالعه شده که دو دستورالعمل کوچک ترازاستفاده ی معمول آن برای سلول های شبیه سازی شده ی مکانیکی ایجادمی کند(2-5pa )وازاین رواز آن صرف نظر می کنیم.به هر حال فشارنرمال سیال بزرگ ومهم می شود(بالاتراز75pa )زمانی که سلول هاسطحی تخت پیدا می کنند به یکدیگرخیلی نزدیک می شوند.ماتقریبا فشارنرمال را برای جریان سیال با یک فشار هیدرواستاتیکی بزرگ متشابه لازم می دانیم.
آمارومنحنی مناسب
معدل وحداکثرکشش متوسط باآزمون کلاسی مقایسه می شوند ونتایج برای p<0.05 معنی دارفرض می شود.همه ی منحنی های مناسب برای استفاده ی کالیداگراف روی pc اجرا می شوند.
نتایج :
خواص اصلی تجربی اندازه گیری شد Osteoblast
توپوگرافی و خواص اصلی ( Fig. 1 ,bond) بوسیله ی (Atomic Force Microscope) AFM اندازه گیری شده است . سلول کاملاً قابل شناسایی بود همانند یک سطح نرم بر روی یک زیر مجموعه سخت .(Fig. 1 D)
الاسیته یسلولی مابین 1 kpa در منطقه هسته ای و 100 kpa در دامنه cytoplasmic تغییر می کند ،هیچ گونه وابستگی به طول سلول ندارد .(Fig.1 , band D) تارهای تنش قابل رؤیت هستند همانند خطوط سفت کننده(stiffer lines) که پهنای سلول از سمتی به سمت دیگر طی می کند .(Fig .1 D) با شمای موجود در مراحل نمایش AFM ارتباط دارند (Fig . 1 C) و بیانگر توزیع یکسان بسته های پرتو تنشی که با نمایشگر rohdamine – phallodin قابل تشخیص است .(Fig .1 A) توزیع بسامد الاسییته سلولی برای 10 سلول مورد استفاده با یک خم Gussion متمرکز شده بر روی 14 pka متناسب است .Fig .1 E) ( مدل المان محدود سلول ها ساخته شده است . (به عنوان مثال درFig . 1 F از اطلاعات Fig .1 Bond D )
توزیع و بزرگی کرنش ( مدل های تمام سلولی )
زیر مجموعه کشش ، کرنش ماکسیمال حول محور کشش تولید کرد. توزیع کرنش حول محور x با میانگین و میانه ی مطلق کرنش εµ 1030 ( table 1 ) ماکسیمال مطلق کرنشεµ 1270 خیلی همگن بود . کرنش در جهات y و z مشخصاً کمتر از کرنش در جهت x بود . بیشتر کرنش های سلولی نزدیک کشش وارده بودند و کرنش های بلندتر در مجاورت تارهای تنش ها قرار داشتند . ( Fig .2 A ) تحول در ماکزیمم ، میانه و میانگین مطلق ( میانگین 10 سلول ) برای حجم های معمول استفاده شده ی زیر مجموعه کشش قابل پیش بینی است .(Fig . 2 B)
در فشارهای هیدرو استاتیکی متناوب ، کرنش تحت فشار تولید می شود که در جهت عمودی ، ماکسیمال است ( table 1) .توزیع کرنش غیر همگن بود . با کرنش ماکسیمال شش گانه بلندتر از مقدار میانگین یا مقدار میانه کرنش ( Fig .3 A and table ) . نواحی کرنش یافته ماکسیمال همان مناطق با مدول های الاستیک پایین تر هستند ( Fig .1 band 3 a) همانند مناطق هسته ای یا نواحی سیتوپلاسم خالی از تارهای تنش .تغییرات ماکزیمم ، مقدار میانه و میانگین کرنش مطلق ( بطور میانگین 10 سلول ) برای فشارهای مناسب فیزیکی قابل اندازه گیری است . حجم هایی برای فشارهای هیدرو استاتیکی بلندتر که در وضعیت های دیگر استفاده شده می توانند extrapolated از گراف ( Fig . 3 B ) یک فشار 1 kpa می توانند یک کرنش عمودی ماکسیمال را (εzz) تا 14% و میانگین کرنش عمودی 3.7% برساند . برش مایعات ، در جهت عمودی کرنش ماکسیمالی تولید می کند .( table 1 ) کرنش ماکسیمال 10 بار بالاتر از میانگین یا مقدار میانه ی کرنش بودکه به توزیع غیر همگن کرنش ها اشاره دارد .
