استخراج تجربی مدول الاستیسیته‌ی بافت سرطانی معده با استفاده از مدل‌های مکانیک تماس توسعه‌یافته‌ی استوانه‌ای

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

10.22044/jsfm.2023.13144.3742

چکیده

خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بافت‌های زنده با تغییر شرایط فیزیولوژیکی آن‌ها در هنگام بیماری تغییر می‌کند. میکروسکوپ نیروی اتمی می‌تواند تصویربرداری از سطح و مشاهده‌ی فراساختاری بافت‌های زنده را با تفکیک نانومتر در شرایط تقریباً فیزیولوژیکی انجام دهد و اطلاعات طیف‌سنجی نیرو، که امکان مطالعه‌ی خواص مکانیکی بافت را فراهم می‌کند، جمع‌آوری کند. در این پژوهش به کاربرد میکروسکوپ نیروی اتمی جهت اندازه‌گیری مدول الاستیسیته‌ی بافت سرطانی معده پرداخته شده است. بدین منظور، جهت نزدیک‌تر شدن نتایج تئوری به واقعیت تجربی، به مدل‌سازی سه‌بعدی تئوری‌های تماس توسعه‌یافته پرداخته شده است. از آن‌جا که در اکثر پژوهش‌های گذشته، شکل ذرات هدف کروی فرض شده است، به‌عنوان یک نوآوری مهم، در این پژوهش مدل‌های تماسی استوانه‌ای شامل هرتز، داوسون، نیک‌پور، هواپریچ و لاندبرگ مدل‌سازی شده‌اند و شبیه‌سازی هر یک از این مدل‌ها به‌وسیله‌ی نرم‌افزار متلب انجام‌گرفته است. نتایج شبیه‌سازی مدل‌های تماسی با نتایج کار تجربی، مقایسه شده است. از نتایج به‌دست‌آمده از این مقایسه، مدول الاستیسیته برحسب کیلوپاسکال در مناسب‌ترین عمق نفوذ سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی برای یک بافت بیولوژیکی استخراج‌شده است. نتایج نشان داده است که مدل هواپریچ مدل مناسبی برای شبیه‌سازی تئوری بوده و بیشترین نزدیکی را به نتایج تجربی داشته است. با مقایسه‌ی نتایج به‌دست‌آمده و نتایج گذشته، درصد اختلاف نتایج برای بافت سرطانی معده بین 3 تا 20 درصد به‌دست‌آمده‌است و در پایان صحت‌سنجی نتایج صورت‌گرفته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] M. A. Calzado, M. Encinar, J. Tamayo, M. Calleja, A. San Paulo (2016) Effect of Actin Organization on the Stiffness of Living Breast Cancer Cells Revealed by Peak-Force Modulation Atomic Force Microscopy. ACS Nano, Vol. 10, No. 3, pp. 3365–3374.
[2] Q. S. Li, G. Y. Lee, C. N. Ong, C. T. Lim (2008) AFM indentation study of breast cancer cells, Biochem Biophys Res Commun, Vol. 374, No. 4, pp. 609–613.
[3] L. M. Rebelo, J.  S. de Sousa, F. J. Mendes, M. Radmacher (2013) Comparison of the viscoelastic properties of cells from different kidney cancer phenotypes measured with atomic force microscopy, Nanotechnol, Vol. 24, No.5, pp. 055102:1-12.
[4] S. Kawano, M. Kojima, Y. Higuchi, M. Sugimoto, K. Ikeda, N. Sakuyama (2015) Assessment of elasticity of colorectal cancer tissue, clinical utility, pathological and phenotypical relevance, Cancer Sci, Vol. 106, No. 9, pp. 1232–1239.
[5] H. Liu, N. Wang, Z. Zhang, H. Wang, J. Du , J. Tang (2017) Effects of Tumor Necrosis Factor- α on Morphology and Mechanical Properties of HCT116 Human Colon Cancer Cells Investigated by Atomic Force Microscopy, Scanning, Vol. 2017, pp. 1–7.
[6]  FEUP, Tese de Mestrado em Engenharia Biomédica, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2017.
[7] A. M. Dagro, K. T. Ramesh (2019) Nonlinear contact mechanics for the indentation of hyperelastic cylindrical bodies, Mech Soft Mater, Vol. 1, No. 1, pp. 1:7.
[8] M. H. Korayem, K. Heidary, Z. Rastegar (2020) The head and neck cancer (HN-5) cell line properties extraction by AFM, J Biol Eng, Vol. 14, No. 1, pp. 1-15.
[9] Y. Ding, G. K. Xu, G. F. Wang (2017) On the determination of elastic moduli of cells by AFM based indentation, Sci Rep, Vol. 7, No. 1, pp. 45575:1-8.
[10] Y. H. Sooha, M. H. Korayem, Z. Rastegar (2020) Investigation of the AFM Indenter’s Geometry Effect On Micro/Nano Biological Cells’ Indentation, ADMT J., Vol. 13, No. 4, pp. 99-108.
[11] M. H. Korayem, P. Panahi, H. Khaksar (2021) Studying and simulation of ellipsoidal contact models for application in AFM nano manipulation, Micron, Vol. 140, pp. 102960:1-22.
[12] A.H. Korayem, M. Taheri, M. H. Korayem (2015) Dynamic Modeling and simulation of nano particle motion in different environments using AFM nano –robot, Modares Mech. Eng, Vol. 15, No. 1, pp. 294–300.
[13] Y. H. Sooha, M. Mozafari, M. H. Korayem (2017) Development of Viscoelastic Contact Theory for Cylindrical and Biological Micro/Nanoparticles, Iran. Biomed. J. Vol. 11, No. 3, pp. 231-242.
[14] M. Taheri (2022) Investigation of the effect of different friction models on experimental extraction of 3D nanomanipulation force and critical time of colon cancer tissue, AJME, Vol. 54, No. 4, pp. 791–804.
[15] M. Taheri, F. Fereiduni (2023) Investigation of intermolecular forces of head and neck cancerous tissue in different fluid environments during nanomanipulation process using atomic force microscope, Nanoscale, Vol. 9, No. 4, pp. 43-53.
[16] M. Taheri, P. Karimi, M. Mastali, M. Nazemizadeh (2022) Calculating the Young's modulus of head and neck cancer cells during the nanomanipulation process using atomic force microscope, MMEP, Vol. 1, No. 4, pp. 22-31.
[17] M. Taheri, H. Faraji, (2023) Extraction of force and critical time of three-dimensional manipulation of colon cancer tissue with different models of Persson friction. JSFM, Vol. 12. No. 6, pp. 113-123. doi: 10.22044/jsfm.2023.12486.3676.
[18] M. Taheri, (2023) The Second Phase of Gold Nanoparticle Manipulation based on AFM in Different Liquid Environments, JSFM, Vol. 13, No. 1, pp. 137-146. doi: 10.22044/jsfm.2023.11541.3526.
 
[19] M. H. Korayem, M. Taheri, H. Khaksar, R. N. Hefzabad (2019) Modelling of Cylindrical Contact Theories‎ of Hertz and JKR for the Manipulation of‎ Biological Micro/Nanoparticles. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. Vol. 15, No. 4, pp. 229-237.
[20] M. H. Korayem, R. N. Hefzabad, M. Taheri (2017) Modeling and Simulation of Spherical and‎ Cylindrical Contact Theories for Using in‎ the Biological Nanoparticles Manipulation. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. Vol. 13, No. 3, pp. 227-239.
[21] M. H. Korayem, M.Taheri, H. B. Hhezaveh, H. Khaksar (2017) Simulating the AFM-based biomanipulation of cylindrical micro/nanoparticles in different biological environments.               J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. Vol. 39, pp. 1883-1894.
[22] M. H. Korayem, H. B. Hezaveh M. Taheri (2014) Dynamic modeling and simulation of rough cylindrical micro/nanoparticle manipulation with atomic force microscopy. Microsc Microanal, Vol. 20, No. 6, pp. 1692-1707.
[23] H. Hertz (1882) Ueber die Berührung fester elastischer Körper, crll, Vol. 1882, pp. 156–171.
[24] G. Lundberg (1939) Elastische Berührung zweier Halbräume, Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens A, Vol. 10, pp. 201–211.
[25] D. Dowson, G. Higginson (1963) Theory of roller bearing lubrication and deformation, Proc Inst Mech Eng, Vol. 177, pp. 67–69.
[26] K. Nikpur, R. Gohar (1975) Deflexion of a roller compressed between platens, Tribol Int, Vol. 8, No. 1, pp. 2-8.
[27] M. R. Hoeprich, H. Zantopulos (1981) Line Contact Deformation: A Cylinder between Two Flat Plates, J Tribol, Vol. 103, No. 1, pp. 21–25.
[28] N. F. Davis, J. J. E. Mulvihill, S. Mulay, E. M. Cunnane, D. M. Bolton, M. T. Walsh (2018) Urinary Bladder vs Gastrointestinal Tissue: A Comparative Study of Their Biomechanical Properties for Urinary Tract Reconstruction, Urol. J., Vol. 113, pp. 235–240.
[29] M. Taheri, S. H. Bathaee (2020) Determination of the young modulus of gastric cancer tissue experimentally using atomic force microscopy, Modares Mech. Eng., Vol. 20, No. 12, pp. 2709–2720.