شماره راهنما :
1724 دكتري
پديد آورنده :
استكي، محمدهادي
عنوان :
بررسي عددي و تجربي رفتار پوروالاستيك و كاربرد آن در مكانيك سلولي
گرايش تحصيلي :
تبديل انرژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
بيست و يك، [257]ص.: مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
علي اكبر عالم رجبي
استاد مشاور :
عمادالدين معين درباري
توصيفگر ها :
اجزاي محدود , خواص پوروالاستيك , آزمون فرورفتگي , آزمون تورم , ميكروسكوپ نيرو اتمي , هيدروژل , سلول
استاد داور :
احمدرضاپيشه ور، امير شاملو، رضاجعفري ندوشن، مهدي جوان بخت
تاريخ ورود اطلاعات :
1400/02/19
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1400/02/19
چكيده فارسي :
1 چكيده پژوهش حاضر با هدف بررسي و مشخصه يابي خواص پورواالستيك به بررسي عددي و تجربي رفتار پورواالستيك ميپردازد در اين تحقيق ابتدا يك ماده يك اليه پورواالستيك با خواص مكانيكي مشخص حين آزمون فرورفتگي از زمان شروع اعمال نيرو تا پايان محدوده رهاسازي مدلسازي و پارامترهاي اثرگذار بر رفتار پورواالستيك آن با حل عددي اجزاي محدود شبيهسازي شد گرچه در شرايط آزمايشگاهي ميتوان با كنترل سرعت باالي فرورفتگي از آثار نوساني1 طره2 يا دندانه3 در هر سه مقياس نانو ميكرو و ماكرو كاهيد ولي عمال طره در سرعتهاي باال بر روي سطح نمونه نوسان خواهد كرد و امكان اعمال نيرو با سرعت بسيار زياد بر سطح ماده پورواالستيك وجود ندارد با انجام شبيهسازي عددي بر روي نمونه مشخص هيدروژل به عنوان يك ماده پورواالستيك و بدون بعد سازي نتايج براي دو حالت كنترلي بيشينه عمق جابحايي و نيروي اعمالي مختلف ضمن افزايش زمان حين اعمال نيرو تابع اصلي بدون بعد وابسته به پارامترهاي ضريب نفوذ سرعت دندانه و شعاع دندانه جهت استخراج خواص مكانيكي ماده بهدست آمد با استفاده از نتايج آزمايشگاهي حاصل از آزمون فرورفتگي در مقياس ميكرو و ماكرو در سرعتهاي مختلف اعمال نيرو نه فقط در سرعتهاي باال بر مواد پورواالستيكي چون هيدروژل آگاروز هيدروژل پلي اكريل آميد بافت مغز و سپس برازش روابط بر منحني اصلي بهدست آمده خواص پورواالستيك آنها شامل ضريب نفوذ ضريب االستيسيته و نسبت پواسون استخراج شد از آنجا كه در مطالعات قبلي انجام گرفته بر رفتار مواد پورواالستيك جهت استخراج منحني اصلي بدون بعد حاصل از انطباق منحنيهاي نيروي رهاسازي بدون بعد نيروي رهاسازي فقط با پارامتر و زمان رهاسازي با پارامتر 2 و بدون در نظر گرفتن شرايط ديگري بدون بعد شده است نتايج بهدست آمده از انجام شبيهسازي عددي و بررسيهاي آزمايشگاهي در كار حاضر نشان داد كه عبارت سرعت هدف مؤثر يكسان دندانه R t R نقش برجستهاي در بررسي و رفتار پورواالستيك ماده و انطباق نمودارهاي نيروي رهاسازي آن در هر دو محدوده زماني اعمال و رهاسازي نيرو خواهد داشت در ادامه با شبيهسازي رفتار پورواالستيك مدل دواليه دو بعدي حساسيت نيروي رهاسازي مدل پورواالستيك نسبت به پارامترهاي حل بررسي شد با تعريف ضخامت معادل اليه رويي روشي جهت استخراج ضريب االستيسيته و ضريب نفوذ اليههاي ماده ارائه و با استفاده از نتايج تجربي آزمون فرورفتگي بر سلولهاي سرطاني اعتبارسنجي شد نتايج آزمون فرورفتگي بر هيدروژل دواليه آگاروز نيز نشان داد اثر سفتي اليه رويي نسبت به اليه زيرين در كاهش ضريب نفوذ ماده پورواالستيك به مراتب بيشتر از افزايش ضريب االستيسيته ماده است سپس رفتار تورم و انقباض مواد پورواالستيك براي مقاطع مستطيلي و مشابه سلولي در شرايط مرزي متصل به بستر و لغزش آزادانه شبيهسازي و حساسيت حل به پارامترهاي اثرگذار مورد بررسي قرار گرفت نتايج شبيهسازي نيز با نتايج حل تحليلي استخراج شده از معادالت اساسي حاكم مقايسه شد از آنجا كه غشاي سلول نقش تعيينكننده اي در استخراج خواص مكانيكي سلول دارد مدلسازي سلول به عنوان يك ماده پورواالستيك چند اليه با در نظر گرفتن هندسي غشاي آن شبيهسازي و آناليز نتايج را پيچيده و دشوار مي سازد لذا با معرفي پارامتر زمان اعمال فشار اسمزي كه تا كنون مطالعهاي بر روي آن گزارش نشده ميزان سيال عبوري از سطح سلول در شبيهسازيها كنترل شد در ادامه نتايج شبيهسازي يك مدل پوروهايپراالستيك دو بعدي سلولي با نتايج آزمايشگاهي سلول سرطاني هال برازش شده و خواص مكانيكي شامل ضريب االستيسيته فشار داخلي ضريب پواسون ضريب نفوذ و زمان اعمال فشار اسمزي سلول استخراج و با نتايج بدست آمده از آزمون فرورفتگي عددي و تجربي مقايسه و صحهگذاري شد كلمات كليدي اجزاي محدود خواص پورواالستيك آزمون فرورفتگي آزمون تورم ميكروسكوپ نيرو اتمي هيدروژل سلول 1 Oscillation effects 2 Cantilever 3 Indenter
چكيده انگليسي :
Numerical and Experimental Investigation of Poroelastic Behavior and its Application in Cell Mohammad Hadi Esteki esteki2005@me iut ac ir 2021 02 01 Department of Mechanical Engineering Isfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 IranAli Akbar Alemrajabi 1rajabi@iut ac irEmad Moeendarbary e moeendarbary@ucl ac ukMohsen SaghafianAbstractTo characterize a poroelastic material we extensively studied the effect of indentation velocity using finiteelement simulations which has enabled the formulation of a new framework based on a master curve thatincorporates the finite rise time To verify our novel framework the poroelastic properties of two types ofhydrogels and ship brain were extracted experimentally using indentation tests at both macro and micro scales Double layer porolastic model was simulated to analyze the sensitivity of the relaxation force to the finite elementnumerical solution parameters of the two layer model mechanical and porolastic properties of the material on therelaxation force function and displacement force changes and were validated on cancer cells and agarose bilayerhydrogels To investigate how poroelasticity would explain the rate of cell shape changes in response to osmoticshocks we exposed cells to hypo and hyper osmotic perturbations and using defocusing epifluorescencemicroscopy for tracking membrane attached fluorescent nanospheres we measured rapid changes in cell volumewith high spatial and temporal resolution Since the poroelastic framework provides a simple and mechanistic linkbetween the mechanical properties of the cell and its response to osmotic shocks it could be used to predict thestate of the cell in health and disease or alternatively its response to novel therapeutics KeywordsPoroelasticity characterization indentation swelling finite element model cell 1 IntroductionIndentation tests at micro and macro scales conducted alongside computational modeling havebeen the most common framework for characterizing the mechanical behavior of soft hydratedmaterials Castro et al 2018 Hu et al 2011 To estimate the poroelastic parameters therelaxation master curves were derived by normalizing the relaxation force F t via F t F FM F and time t via t a2 considering stepwise indentation i e the maximum force FMachieved at infinitely fast indentation velocity Vapp or tR 0 Hu et al 2011 Moeendarbaryet al 2015 However experimentally it is not possible to achieve such an ideal condition tR 0 due to the limited ability of the instruments to provide accurate step load Moreover using fast approach velocities may lead to instability and unwanted oscillations Therefore inprincipal extracting poroelastic parameters using the master curves that are derived under theinstantaneous loading tR 0 condition may lead to significantly unrealistic values particularlywhen the experimentally set rise time tR is not drastically smaller than the poroelasticrelaxation time A few studies examined effects of ramp velocity on the hold phase Department of Mechanical Engineering Isfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 Iran Department of Mechanical Engineering University College London London United Kingdom Department of Biological Engineering Massachusetts Institute of Technology Cambridge MA United States
استاد راهنما :
علي اكبر عالم رجبي
استاد مشاور :
عمادالدين معين درباري
استاد داور :
احمدرضاپيشه ور، امير شاملو، رضاجعفري ندوشن، مهدي جوان بخت
