Name: finite element modelling of a cellular electric microenvironment
Uploaded: 2021-05-18T12:30:00
Duration: 8 min 23 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Finite Element Modelling of a Cellular Electric Microenvironment at JoVE.com

تم دعم هذا العمل من قبل برنامج ويلكوم ترست للدكتوراه لمدة 4 سنوات في البيولوجيا الكمية والفيزيائية الحيوية

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

ويقترح البروتوكول المقترح حلا موحدا للنمذجة للسقالات الطبيعية والاصطناعية ويسلط الضوء على الحاجة إلى النظر في البنية النانوية للسقالات الليفية عند فحص آثار EF على الخلايا المصنفة على هذه المواد. على الرغم من أن تقريب خشن لكثافة EF (الفرق المحتمل للقطب الكهربائي مقسوما على المسافة بين الأقطاب الكهربائية) سيقودنا إلى توقع قوة حقل 100 mV /mm ، فإن المحاكاة تتوقع نقاط قوة حقل ثابتة أعلى بنسبة تصل إلى 30٪ في مناطق مختلفة من الحصيرة(الشكل 5). وينبغي أن تكون هذه النتيجة ذات أهمية في تصميم تجربة ES وتفسير البيانات، حيث يمكن أن يكون سبب موت الخلية هو وجود صناديق استثمار إلكترونية قوية للغاية. ومن شأن الكشف عن البيئة الكهربائية الدقيقة أن يمكن من وجود ارتباط مباشر بين ES والتنمية الخلوية. في حين أن العديد من الدراسات تقدم تحليلا مفصلا مورفولوجيا من السقالات المستخدمة33،43،59، فإنها لا تحقق في التفاعل بين الهيكل والخصائص الكهربائية للمواد وEF. ويمكن لهذا البروتوكول تمكين هذا الرابط، حيث يمكن تعديل معلمات مثل نصف قطر الألياف وسماكة طبقة الطلاء والمسافة بين الألياف والخصائص الكهربائية للمواد المكونة وفقا لكل تجربة عن طريق تغيير التعريفات العالمية في الخطوتين 1.2 و 1.3. ومن ثم، يمكن إجراء الشحنة ثلاثية الأبعاد المخصصة التي تم حلها مكانيا والتنبؤات الحالية بالكثافة لكل من أنظمة ES الثابتة والديناميكية.
يمكن استهداف تحسين تصميم السقالات من خلال نماذج RNC و RNCd مع استكشافات نطاق المعلمة الواسعة ، وتوسيع نطاق المورفولوجيا المقترحة أو أجزاء منها. بدلا من ذلك، يمكن التحقيق في تكوينات سقالة أخرى مع البروتوكول المقترح عن طريق تغيير أنواع الصفيف من خطي إلى ثلاثي الأبعاد في القسم 1.6.5 وتكييف هندسة السقالات في القسم 1.6.2. ومع ذلك ، لا يمكن أن يتم التحسين سقالة دون هدف. في حين لأغراض هندسة الأنسجة التركيز الرئيسي هو مصير الخلية، صورة أوضح على ما هي المحفزات المحددات الرئيسية أمر ضروري إذا كان من المرغوب السيطرة موثوق بها. الشحنة والكثافة الحالية هي واصفات جيدة من البيئات الدقيقة الكهربائية الخلوية لأنها تظهر التفاعل بين EF والخصائص الكهربائية للمواد المكونة المختلفة للسقالات المعقدة مثل ECM. يوضح البروتوكول كيفية حساب التنبؤات لتلك المقاييس نظرا لهندسة سقالة nanofibrous ويسلط الضوء على أهمية زاوية محاذاة الألياف مع EF. ويمكن بعد ذلك ربط التنبؤات بالشحن والكثافة الحالية بالتنمية الخلوية، وبالتالي يمكن بعد ذلك تحسين نظم السقالات وES لمهام محددة.
ومن المثير للاهتمام، أظهرت دراسة أن التعرض EF ولدت الإجهاد الميكانيكي أكثر من الضعف في القوة في الأفلام المركبة مع ألياف النانو عمودي على EF الخارجية مقارنة مع الأفلام مع محاذاة موازية60. الإجهاد الميكانيكي المبلغ عنه يمكن أن يكون نتيجة لقوات كولومب تعمل بين الألياف المشحونة، التي تنبأت بها المحاكاة نموذج الخام (RC، RNC، RNCD)(الشكل 6). وفي حين أن عمليات المحاكاة هذه يمكن أن تكون مفيدة في التحقيق في هذه الفرضية، لا بد من الإشارة إلى أن النتائج التجريبية المبلغ عنها تم الحصول عليها في نظام اقتران بالسعات، والمحاكاة تقدم اقترانا مباشرا. 
ومن العوامل التي تحد من الاستخدامات المحتملة للبروتوكول في المستقبل لتقدير إشارة إدخال خلوية عدم اليقين بشأن المعلمة. المعلمات الهندسية غير مؤكدة هي سمك طبقة الطلاء والمسافة بين النوى الألياف. يمكن استنتاج الأول من خلال العثور على القيمة التي تؤدي إلى مقاومة السائبة التي يمكن التحقق من صحتها تجريبيا. ويمكن استخراج الثانية من المواد عالية الدقة بمسح. وتتأثر أيضا البارامترات التي تصف الخصائص الفيزيائية للمواد بعدم اليقين. ومع ذلك ، فإن الموصلية الكهربائية والثابت العازل للمواد المجسدة تختلف أكثر بكثير من دقة القياس التجريبية(الجدول 2). ولذلك، سيتم الإبقاء على الآثار المبلغ عنها على الرغم من أخطاء القياس المعتدلة.
وتبين النتائج كيف أن التعقيد غير الكافي للنموذج قد يخفي المعلومات ذات الصلة. من المهم الاعتراف بأن البروتوكول يحاكي نسخة مبسطة من الظاهرة الفيزيائية التي تحدث لأنه لا يأخذ في الاعتبار الطبيعة المختلفة للمواد المشاركة في العملية - الموصلات (الأقطاب الكهربائية) وأشباه الموصلات (الطلاء) وكهرباء (نواة الألياف) والكهارلي (المادة المحيطة) - التي هي قادرة على التأثير على نقل الشحنة. ويمكن تفسير هذه المسألة في التوسعات النموذجية المستقبلية بإضافة تأخيرات نقل الطاقة في الواجهات (أي ردود الفعل الفارادية) وتأخيرات النقل الأيونية داخل المنحل بالكهرباء. ومع ذلك، ينبغي أن تسترشد إضافة التعقيد بالتحقق التجريبي، حيث أن النموذج البسيط الذي يعيد إنتاج معظم ما يلاحظ هو أكثر فائدة من النموذج الدقيق بشكل ملحوظ الذي يضيف المزيد من المعلومات ولكنه حساس للغاية للعديد من المعايير التأسيسية.
كما الهدف النهائي من هندسة الأنسجة هو خلق المفاعلات الحيوية التي تحاكي ليس فقط واحد أو اثنين من جوانب في بيئات الجسم الحي، ولكن تكرار والسيطرة على جميع الإشارات التنموية الخلوية61،الكهرومغناطيسية والميكانكية في نماذج سيليكو، فضلا عن نماذج لنقل الحرارة بين مكونات المفاعل الحيوي سوف تحتاج إلى الجمع. في مرحلة النمذجة اللاحقة ، يمكن أيضا إضافة ظواهر اقتران بين تلك التفاعلات مثل التدفئة ohmic ، وتدفق السوائل المنحلة بالكهرباء ، وتشوهات السقالة المورفولوجية استجابة للتحفيز الكهربائي60 وطاقة بيزو62. ومع ذلك، يجب دمج النماذج فقط بعد التحقق من صحة كل منها تجريبيا. وبهذه الطريقة، يمكننا الحصول على فهم أفضل لتأثير كل مكون في البيئة الدقيقة الخلوية، وكيف يمكن تحسين المحفزات. 
إذا تم التحقق من صحة النموذج المقترح تجريبيا ، فيمكن دمجه مع نماذج من الخلايا البيولوجية - الشكل 1. يمكن أن تؤثر أنماط كثافة الشحنة والتحوير بشكل غير متماثل على نشاط مضخات أيون محددة ، وتأثير التعلق بألياف البروتينات التي تقود التصاق الغشاء63 وبالتالي توجيه الهجرة وأنماط الانتشار والمورفوجين64. واستكشاف تلك الفرضيات هو الطريق إلى الأمام في فهم الآليات التي تقوم عليها استجابات الأنسجة والخلايا ل ES.

ES هو استخدام EFs بهدف السيطرة على الخلايا والأنسجة البيولوجية. وتستند آليته على التحفيز المادي الذي يتم نقلها إلى الخلية عندما تتعرض الجزيئات الحيوية داخلها والمحيطة بها لتدرج الجهد المتولد خارجيا. وتشارك الجسيمات المشحونة في حركة منظمة يحكمها قانون كولومب، مما يولد قوى سحب على الجسيمات غير المشحونة. يؤدي تدفق السوائل الناتج وتوزيع الشحنة إلى تغيير أنشطة الخلايا ووظائفها مثل التصاق والانكماش والهجرة والتوجه والتمايز والانتشار1 حيث تحاول الخلية التكيف مع التغير في ظروف البيئة الدقيقة.
وبما أن الصناديق الكهربائية يمكن التحكم فيها، وغير الغازية، وغير الدوائية، وتبين أن لها تأثير فعال على سلوك الخلايا الأساسية، ES هو أداة قيمة لهندسة الأنسجة والطب التجديدي. وقد تم استخدامه بنجاح لتوجيهالعصبية 2, الهيكل العظمي3, عضلة القلب4, العظام5 والجلد6 التنمية. وعلاوة على ذلك، كما أنه يعزز iontophoresis7،ويستخدم كعلاج بديل أو مكمل لتلك الدوائية التقليدية. لا تزال تناقش كفاءتها في إدارة الألم كما ينتظر التجارب السريرية ذات جودة أعلى8,9,10. ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ عن أي آثار سلبية ولها القدرة على تحسين رفاهية المريض11،12،13،14،15.
في حين أن التجارب السريرية فقط يمكن أن تعطي حكما نهائيا لفعالية الإجراء ، فإن هناك حاجة إلى نماذج في المختبر وفي silico لإثراء تصميم علاج ES الذي يمكن التنبؤ به لأنها توفر سيطرة أقوى على مجموعة أوسع من الحالات التجريبية. الاستخدامات السريرية التحقيق من ES هي تجديد العظام16,17, الانتعاش من العضلات denervated18,19, تجديد أكسنال بعد الجراحة20,21, تخفيف الألم22, التئام الجروح23,24,25 وإيونتوبهوريتي تسليم المخدرات26. من أجل إدخال أجهزة ES على نطاق واسع على جميع التطبيقات المستهدفة المحتملة ، لم تثبت التجارب السريرية بعد أدلة أقوى على العلاج الفعال. حتى في المجالات التي تشير فيها الدراسات الحيوانية والبشرية الحية باستمرار إلى نتائج إيجابية ، فإن العدد الكبير من الطرق المبلغ عنها إلى جانب القليل جدا من التوجيه حول كيفية الاختيار بينها وارتفاع سعر الاستحواذ يردع الأطباء عن الاستثمار في أجهزة ES27. للتغلب على ذلك، لم يعد من الممكن التعامل مع النسيج المستهدف كصندوق أسود (الحد الأقصى للتجارب في الجسم الحي) ولكن يجب أن ينظر إليه على أنه تآزر معقد بين أنظمة فرعية متعددة(الشكل 1).
وقد أجريت تجارب ES متعددة في المختبر على مر السنين28،29،30،31،32،33،34. معظم هذه تميز فقط ES من خلال انخفاض الجهد بين الأقطاب الكهربائية مقسومة على المسافة بينهما - تقريب تقريبي لحجم المجال الكهربائي. ومع ذلك ، فإن المجال الكهربائي نفسه يؤثر فقط على الجسيمات المشحونة ، وليس الخلايا مباشرة. أيضا، عندما يتم تداخل مواد متعددة بين الجهاز والخلايا، قد لا تعقد تقريب الخام.
ويتطلب التوصيف الأفضل لإشارة الإدخال رؤية واضحة حول كيفية نقل التحفيز إلى الخلية. الطرق الرئيسية لتقديم ES هي اقتران مباشر وسعوي وحثي35،36. تختلف الأجهزة لكل طريقة مع نوع القطب الكهربائي (قضيب أو مستو أو لف) ووضع نسبة إلى النسيج المستهدف (في اتصال أو معزولة)35. الأجهزة المستخدمة في الجسم الحي لعلاجات أطول تحتاج إلى أن تكون قابلة للارتداء، وبالتالي فإن الأقطاب الكهربائية ومعظم الأحيان يتم زرع مصدر الطاقة أو تعلق على الجلد كما ضمادات الجرح أو بقع كهربائية. يؤدي تدرج الجهد المتولد إلى إزاحة الجسيمات المشحونة في منطقة المعالجة.
كما أنه يؤثر على تدفق الجسيمات المشحونة الناتجة في محيط الخلايا، هيكل سقالة ذات أهمية قصوى في تصميم بروتوكولات ES. تنشأ تكوينات نقل الشحن المختلفة إذا كانت مادة المنصة أو تقنية التركيب أو الهيكل أو التوجه بالنسبة لتغيير تدرج الجهد. في الجسم الحي، يتأثر توافر وحركة الجسيمات المشحونة ليس فقط بالخلايا ولكن أيضا بشبكة الكولاجين والسوائل الخلالية التي تتألف منها ECM الداعمة. وتستخدم السقالات هندسيا على نحو متزايد لتحسين إعادة البيئة الدقيقة الخلية الطبيعية في المختبر1،35. في الوقت نفسه ، فإن ECM هو سقالة طبيعية معقدة.
وتستند السقالات الاصطناعية على المعادن، وإجراء البوليمرات والكربون، وهندستها مع التركيز على تحقيق التوازن بين التوافق البيولوجي مع الأداء الكهروكيميائية والاستقرار على المدى الطويل36. نوع واحد سقالة تنوعا هو حصيرة ليفية electrospun التي توفر تضاريس نانوية يمكن التحكم فيها. ويمكن هندسة هذا لتشبه ECM، وبالتالي تقديم الإشارات الميكانيكية المماثلة التي تساعد على تجديد مجموعة واسعة من الأنسجة37. للتأثير بشكل كبير على ES ، يجب أن تكون الحصير موصلة إلى حد ما. ومع ذلك، البوليمرات الموصلة من الصعب electrospin والمزج مع الناقلات العازلة يحد من الموصلية من الألياف الناتجة38. حل واحد هو بوليمر مونومر موصل على سطح الألياف العازلة، مما أدى إلى قوة ميكانيكية جيدة والخصائص الكهربائية للمنتجالنهائي 38. مثال على ذلك هو طلاء ألياف كهربائية حريرية مع PEDOT-PSS39شبه موصل. مزيج من الإشارات الميكانيكية والكهرومغناطيسية يسرع بشكل كبير نمو النيوريت40،41،42. Neurites اتبع السقالات محاذاة الألياف، وإطالة أكثر بعد التعرض لEEF موازية للألياف من العمودي واحد43. وبالمثل ، فإن محاذاة السقالات الليفية إلى EF تعزز أيضا نضوج الميوجيني33.
ويتكون أساسا ECM من البروتينات الليفية تشكيل44، من تلك نوع الكولاجين الأول كونه المكون الرئيسي في جميع الأنسجة الحيوانية وبصرف النظر عن الغضروف (غنية في نوع الكولاجين الثاني)44. Tropocollagen (TC) ، تشكيل ثلاثية من خيوط البوليبتيد ، هو عزر الهيكلية من الفيبريلات الكولاجين45. انتقال المجهر الإلكتروني وصور المجهر القوة الذرية من الفيبريلات الكولاجين تظهر نمط مد الدوري النطاقات46 وأوضح من قبل هودج وبيتروسكا نموذج47 كما صفائف العادية من الثغرات TC ويتداخل45. وتتكون الأوتار من مصفوفة الرجفان الكولاجيني المنحازة محمية من قبل مصفوفة بروتيوغليكان غير الكولاجينية عالية الهيدرفيلية48،49. Decorin هو بروتيوغليكان صغير غني بالليوزين (SLRP) قادر على ربط مناطق الفجوة من الفيبريلات الكولاجين والتواصل مع SLRPs الأخرى من خلال سلاسل جانبية جليكوسامينوغليكان (GAG)49. الدراسات التي أجريت على الأوتار تبين أن خصائصها الكهربائية تتغير بشكل كبير عندما رطب50،51، آلية نقل تهمة تغيير من البروتونية إلى الأيونية كما يزيد مستوى الترطيب51. وهذا يشير إلى أن التوصيل الكهربائي على طول نوع الكولاجين I fibril يمكن تمكينه من خلال معطف مياه Decorin ، مع مناطق الفجوة والتداخل التي لها الموصلات الكهربائية المختلفة والثوابت العازلة.
كما الترفيه متطابقة من ECM بواسطة السقالات الاصطناعية غير محتمل، والمعرفة المنتجة التآزر بين في الجسم الحي وفي المختبر تمكين من نتائج قابلة للترجمة ويبدو أن في طريق مسدود. في النمذجة سيليكو ليس فقط إعادة تمكين الترجمة بين البلدين، ولكن أيضا يضيف فوائد هامة في توصيف العمليات غير معروف المشاركة في ES. مقارنة الملاحظات في الجسم الحي مع المختبر يمكن أن تجلب معلومات عن قوة الاقتران بين النسيج المستهدف وبقية الكائن الحي ولكن لا يكشف حدود المعرفة الحالية. يمكن كشف المجهول من خلال ملاحظة الفرق بين ما يتوقع أن يحدث بناء على المعرفة الحالية وما يحدث. في تجارب silico على أساس النمذجة الرياضية تسمح بتقسيم العملية إلى معالجات فرعية معروفة وغير معروفة. وبهذه الطريقة، تظهر الظواهر التي لم يتم احتسابها في النموذج عندما تقارن تنبؤات السيليكو بالتجارب في المختبر وفي الجسم الحي.
إن تشكيل واختبار الفرضيات المتعلقة بالآلية (الآليات) الأساسية لكيفية تأثر الخلايا والأنسجة بالحقول الكهربائية يعوقه العدد الكبير من المعلمات52 التي تحتاج إلى اختبار منفصل. لتحديد الظروف التجريبية التمثيلية، يجب تقسيم عملية ES في العمليات الفرعية(الشكل 1)ويجب تحديد إشارات الإدخال المهيمنة التي تؤثر على سلوك الخلية. نماذج تمثل الآثار المادية الأساسية للES على الخلايا تصف المجال الذي أزواج EF مع الخلية - أن من الجسيمات المشحونة53. سلوك الجسيمات الخارجية للخلية يعتمد على البيئة الدقيقة ويمكن التحقيق بشكل منفصل عن الخلية. إشارة الإدخال المهيمنة للخلية هي المجموعة الفرعية من مخرجات جهاز ES التي تسبب أكبر درجة من التباين في استجابة الخلية. أصغر مجموعة فرعية من المعلمات التجريبية الكاملة التي يمكن أن تولد اختلافات في جميع إشارات إدخال الخلية المهيمنة يمكن استخدامها لتقليل البعد الفضائي المعلمة وعدد حالات الاختبار.
يجب أن يكون إدخال النموذج المستهدف ES البيولوجي مجموعة فرعية من إشارات الإخراج التي ينتجها جهاز ES المفيدة في وصف الآثار الفيزيائية ل ES على الخلايا. مفاعل حيوي بسيط مع اقتران مباشر له نفس بنية الخلايا الكهروكيميائية المنحلة بالكهرباء. وتبين نماذج من تلك النماذج التوزيع الأولي (المحاسبة لمقاومة الحلول)، أو الثانوي (الذي يفسر أيضا ردود الفعل الفارادية) أو الثالثي (الذي يفسر أيضا انتشار الأيونات) لتوزيع الكثافة الحالية. وبما أن التعقيد يترجم إلى تكلفة حسابية، فإن أبسط نموذج هو الأنسب لاستكشافات الفضاء المعلمة. وتركز عمليات محاكاة المركبات الليفية التي تحفزها خصائص المواد54 على خصائص المواد السائبة نتيجة للهندسة الدقيقة المعقدة، وبالتالي لا يمكن وصف الآثار المحلية للتعرض ل EF. الموجودة في نماذج السيليكو، بدافع من ES، والتركيز على العينة البيولوجية، وخلية واحدة مغمورة في وسط متجانس55،56،57،أو الأنسجة المعقدة مع الفضاء خارج الخلية متجانسة58. الشحن والكثافة الحالية(الشكل 2)يمكن أن تكون بمثابة إشارات واجهة بين نماذج الجهاز ES والعينة البيولوجية، أو بين مكونات مختلفة من الجهاز ES. يستخدم البروتوكول المقترح القائم على FEM المعادلات الموضحة في الشكل 2 وتم استخدامه لدراسة كيفية استخدام المعلمات المعتمدة على السقالات لتعديل هاتين الإشرتين ، بغض النظر عن EF الناتجة عن إعداد اقتران مباشر. تؤكد النتائج أنه من الضروري حساب الخصائص الكهربائية للسقالة أو ECM عند التحقيق في كيفية تأثير ES على الخلايا المستهدفة.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Comsol multiphysics 5.2 AC/DC module</td>
			<td>COMSOL</td>
			<td>-</td>
			<td>FEM modelling software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

finite element modelling of a cellular electric microenvironment

تظهر الدراسات السريرية التحفيز الكهربائي (ES) ليكون العلاج المحتمل للشفاء وتجديد الأنسجة المختلفة. فهم آليات استجابة الخلايا عند التعرض للمجالات الكهربائية وبالتالي يمكن أن توجه الأمثل للتطبيقات السريرية. وتهدف التجارب المختبرية إلى المساعدة في الكشف عن تلك التجارب، مما يوفر ميزة نطاقات أوسع للمدخلات والمخرجات يمكن تقييمها أخلاقيا وفعالا. ومع ذلك ، من الصعب إعادة إنتاج التقدم في التجارب المختبرية مباشرة في البيئات السريرية. ويرجع ذلك أساسا إلى أن أجهزة ES المستخدمة في المختبر تختلف اختلافا كبيرا عن تلك المناسبة لاستخدام المريض، والمسار من الأقطاب الكهربائية إلى الخلايا المستهدفة مختلف. وبالتالي فإن ترجمة النتائج في المختبر إلى إجراءات في الجسم الحي ليست مباشرة. ونؤكد أن بنية البيئة الخلوية الدقيقة وخصائصها الفيزيائية تلعب دورا حاسما في ظروف الاختبار التجريبي الفعلي، ونقترح أن تدابير توزيع الشحنة يمكن استخدامها لسد الفجوة بين المختبر وفي الجسم الحي. وبالنظر إلى ذلك، فإننا نظهر كيف يمكن استخدام نمذجة العناصر المحدودة في السيليكو (FEM) لوصف البيئة الدقيقة الخلوية والتغيرات الناتجة عن التعرض للمجال الكهربائي (EF). نسلط الضوء على كيفية أزواج EF مع هيكل هندسي لتحديد توزيع الشحنة. ثم نعرض تأثير المدخلات المعتمدة على الوقت على حركة الشحن. وأخيرا، فإننا نثبت أهمية منهجيتنا الجديدة في نموذج السيليكو باستخدام دراستي حالة: (1) في السقالات الليفية المختبرية بولي (3،4-إيثيلين ديوكسيثيوفين) بولي (الستيرينسولفونات) (PEDOT-PSS) و (2) في الكولاجين الحي في مصفوفة خارج الخلية (ECM).

Watch this Scientific Journal Video about Finite Element Modelling of a Cellular Electric Microenvironment at JoVE.com

Finite Element Modelling of a Cellular Electric Microenvironment

تعرض هذه الورقة استراتيجية لبناء نماذج عناصر محدودة من المواد موصل ليفية تتعرض لحقل كهربائي (EF). يمكن استخدام النماذج لتقدير المدخلات الكهربائية التي تتلقاها الخلايا المصنفة في مثل هذه المواد وتقييم تأثير تغيير خصائص المواد المكونة للسقالة أو هيكلها أو اتجاهها.

نمذجة العناصر المحدودة لبيئة كهربائية خلوية

Clinical studies show electrical stimulation (ES) to be a potential therapy for the healing and regeneration of various tissues. Understanding the ...

تساعد هذه الطريقة على التنبؤ بالبيئة الكهربائية الدقيقة لخلية جالسة على سقالة من الألياف ، مثل المصفوفة خارج الخلية. هناك نوعان من المزايا الرئيسية التي تنشأ من النمذجة insilico. التنبؤ بالظروف التجريبية هو 3D ، في حين يتم تمكين التحسين من خلال سهولة تغيير المعلمة.التحفيز الكهربائي يساعد على تجديد أنسجة متعددة. هذا النموذج في نماذج insilico مماثلة سوف تساعد على الاستفادة المثلى من المعلمات التحفيز. للبدء، افتح برنامج COMSOL وحدد طراز فارغ.في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن على التعريفات العالمية، وحدد المعلمات وأضف المعلمات وفقا للجدول الأول في مخطوطة النص. يمكنك إضافتها واحدا تلو الآخر، أو تحميلها من ملف نصي. في منشئ النموذج ضمن التعريفات العمومية، انقر بزر الماوس الأيمن فوق المواد وحدد المواد الفارغة لإضافة مواد.لإضافة خصائص المواد، انتقل إلى إعدادات المواد المضافة حديثا، ثم توسيع خصائص المواد واختيار الموصلية الكهربائية من الخصائص الأساسية. اضغط على رمز الجمع لإضافة خاصية. كرر هذه العملية من أجل السماح النسبي.املأ الخصائص المادية الحالية، وفقا للجدول الثاني من المخطوطة النصية. بعد ذلك، انقر على اليسار إضافة مكون من علامة التبويب الرئيسية وحدد 3D لإضافة عقدة مكون جديد في منشئ الطراز. مرة أخرى، انقر بزر الماوس الأيمن على الهندسة، انقر بزر الماوس الأيسر على إدراج التسلسل.ثم انقر نقرا مزدوجا فوق النموذج الكامل وحدد التسلسل المناسب. ضمن عقدة المكون الحالي في منشئ الطراز، انقر بزر الماوس الأيمن فوق المواد وحدد ارتباط المادة. المواد المنتسبين لكل عنصر في هذا الترتيب، المادة المحيطة بها، والمعاطف والنوى.في علامة التبويب إعدادات للمادة المحيطة، قم بتوسيع قائمة التحديد لاختيار تحديد الوسائط. قم بتوسيع إعدادات الارتباط واختر المواد المناسبة مثل وسائط الثقافة من القائمة المنسدلة. لمشاهدة المجالات الموجودة ضمن كتلة الوسائط الموروثة، قم بتنشيط زر الشفافية في علامة التبويب الرسومات.تكوين ارتباطات المواد الأخرى بنفس الطريقة. في منشئ الطراز، انقر فوق المكون الحالي، وحدد إضافة فيزياء، ثم قم بتوسيع وحدة AC/DC لتحديد الوحدة النمطية للتيار الكهربائي وانقر فوق إضافة إلى المكون. لتحديد شروط الحدود، حدد طريقة عرض XY في علامة التبويب الرسومات.انتقل إلى منشئ النموذج مرة أخرى، انقر بزر الماوس الأيمن على عقدة التيارات الكهربائية وحدد الأرض. بعد ذلك، حافظ على مفتاح الاختيار لتحديد الحدود نشطا. انقر على اليسار على أعلى مادة المحيطة وجه موازية لXZ الطائرة وإضافة الحدود خمسة في مربع تحديد الحدود.في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن على العقدة التيار الكهربائي وحدد المحطة الطرفية. الحفاظ على اختيار الحدود النشطة، انقر على اليسار على وجه أدنى مادة المحيطة موازية للطائرة XZ وإضافة الحدود أيضا في مربع تحديد الحدود. ثم عن طريق توسيع تحديد المحطة الطرفية، حدد الجهد في القائمة المنسدلة نوع المحطة الطرفية وملء في الخامس صفر للجهد.تحت التعريفات العالمية في منشئ نموذج، تركت معلمات انقر وتغيير المعلمة ثيتا إلى زاوية اتجاه الألياف المطلوبة للمحاكاة. توسيع عقدة المكونات لكل مكون في منشئ النموذج، ثم الحق، انقر على الهندسة وحدد بناء جميع. انقر بزر الماوس الأيمن فوق عقدة جذر النموذج في منشئ الطراز وافتح علامة التبويب إضافة دراسة.حدد دراسة ثابتة، وانقر بزر الماوس الأيمن إضافة دراسة. في إطار الدراسة المضافة حديثا ، انقر بزر الماوس الأيسر على الخطوة الأولى ، وتوسيع ملحقات الدراسة ، والتحقق من مربع تحسين الشبكة التكيفية والنقر على حساب للحصول على الشبكة المكررة. انقر بزر الماوس الأيسر فوق عقدة الجذر النموذجي في منشئ النموذج وافتح علامة التبويب إضافة دراسة، وحدد دراسة ثابتة وانقر بزر الماوس الأيمن فوق إضافة دراسة.في إطار الدراسة المضافة حديثا، انقر بزر الماوس الأيسر على الخطوة الأولى، وتوسيع اختيار الشبكة وتحديد الشبكة المتولدة في دراسة تحسين الشبكة التكيفية. المضي قدما عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على زر حساب. انقر بزر الماوس الأيمن على عقدة النتائج في منشئ النموذج وحدد مجموعة رسم ثلاثية الأبعاد لتحرير الإعدادات.تغيير التسمية لشحن الكثافة وتحديد مجموعة بيانات الدراسة البارامترية عن طريق توسيع مجموعة البيانات من القائمة المنسدلة. ثم في وسيلة إيضاح اللون، حدد المربعات لإظهار وسائل الإيضاح وعرض القيم القصوى وال دنيا. مرة أخرى تحت عقدة النتائج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الكثافة المشحونة لتحديد مستوى الصوت والمتابعة لتحرير علامة التبويب الإعدادات.قم بتوسيع علامة التبويب البيانات، ثم حدد من الأصل ثم املأ EC. RHOQ في مربع التعبير. تحقق من مربع نطاق الألوان اليدوي من علامة تبويب النطاق وحدد الحد الأدنى والحد الأقصى إلى ناقص 0.3 و 0.3 على التوالي. توسيع التلوين ونمط وتعيين التلوين إلى جدول الألوان والجدول اللون لموجة.تحقق من مربع وسيلة إيضاح اللون ونطاق ألوان التماثلات. انقر بزر الماوس الأيمن فوق وحدة التخزين و منشئ الطراز وحدد عامل التصفية. انتقل إلى علامة التبويب إعدادات ثم تعبئة التعبير المنطقي لتضمينها.انقر بزر الماوس الأيسر على زر الرسم لتصور النتائج في إطار الرسومات. في هذا التحليل، يتم عرض خمس مراحل مختلفة من التعقيد الهندسي أثرت على نتيجة المحاكاة. شبكة خشنة جدا، يمكن أن تخفي المعلومات ذات الصلة.باستخدام تحسين الشبكة التكيفية ، يتم الحصول على شبكة مع عناصر أصغر ، لأنها مطلوبة للحصول على نتائج دقيقة. على مستويات مختلفة من التعقيد لنموذج غير لامع ليفية، تأثرت قوة المجال الكهربائي من قبل محاذاة الألياف فيما يتعلق التدرج المحتملة. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر محاذاة الألياف الزاوية إلى التدرج الكهربائي المحتمل على كثافة المساحة المشحونة في وسائط ثقافة الخلايا المحيطة.في دراسة توجيه الألياف السقالة ، تم توضيح توقعات نموذج RNC حالة الدراسة عندما كانت الألياف متوازية أو عمودية على المجال الكهربائي. تأثرت كثافة الشحنة وكثافتها الحالية بمحاذاة ألياف السقالة بالنسبة للمجال الكهربائي. يمكن استخدام هذا البروتوكول للتحقيق في تأثير تغييرات المعلمة على كثافة الشحنة حول جزء سقالة الألياف.من المهم أن نتذكر أنه بتغيير معلمات النموذج، مثل البيانات أو خصائص المواد، قد يتغير نطاق كثافة الشحن الناتج بشكل كبير. للحصول على أفضل تصور، يجب تحسين النطاق بحيث يمكن ملاحظة أقصى قدر من التباين في الكثافة المشحونة.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Bioengineering

Unit 1

Electric Charges and Fields

SCIENTISTS IN ACTION

Microfluidic Device for Recreating a Tumor Microenvironment in Vitro

Microfluidic Device for Recreating a Tumor Microenvironment in Vitro

ميكروفلويديك الأجهزة لإعادة تأسيس المكروية ورم<em&gt; في المختبر</em

We have developed a microfluidic device that mimics the delivery and systemic clearance of drugs to heterogeneous three-dimensional tumor tissues in ...

Cellular Lipid Extraction for Targeted Stable Isotope Dilution Liquid Chromatography-Mass Spectrometry Analysis

الخلوية لاستخراج الدهن المستهدفة التخفيف النظائر المستقرة تحليل السائل الطيف اللوني القداس

The metabolism of fatty acids, such as arachidonic acid (AA) and linoleic acid (LA), results in the formation of oxidized bioactive lipids, including ...

Tissue Engineering of Tumor Stromal Microenvironment with Application to Cancer Cell Invasion

هندسة الأنسجة اللحمية من الورم المكروية مع التطبيق على غزو الخلية السرطانية

3D organotypic cultures of epithelial cells on a matrix embedded with mesenchymal cells are widely used to study epithelial cell differentiation and ...

A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials

عنصر النمذجة منهجية الديناميكي تجربة محدودة لتقييم عالية معدل الانفعال الاستجابة الميكانيكية للالحيوية لينة

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. ...

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

والتجريبية وبروتوكول العناصر المحددة للتحقيق في نقل المواد المذابة المحايدة، واتهم في الغضروف المفصلي

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

Improved 3D Hydrogel Cultures of Primary Glial Cells for In Vitro Modelling of Neuroinflammation

Improved 3D Hydrogel Cultures of Primary Glial Cells for In Vitro Modelling of Neuroinflammation

تحسين 3D المائية الثقافات من الخلايا الدبقية الأولية لنمذجة في المختبر نيوروينفلاميشن

In the central nervous system, numerous acute injuries and neurodegenerative disorders, as well as implanted devices or biomaterials engineered to enhance ...

Creating a Structurally Realistic Finite Element Geometric Model of a Cardiomyocyte to Study the Role of Cellular Architecture in Cardiomyocyte Systems Biology

إنشاء نموذج عنصر محدود هيكلي واقعية هندسية من كارديوميوسيتي لدراسة دور البنية الخلوية في بيولوجيا الأنظمة كارديوميوسيتي

With the advent of three-dimensional (3D) imaging technologies such as electron tomography, serial-block-face scanning electron microscopy and confocal ...

Fabrication of a Multiplexed Artificial Cellular MicroEnvironment Array

تصنيع صفيف متعدد المكروية الخلوية اصطناعية

Cellular microenvironments consist of a variety of cues, such as growth factors, extracellular matrices, and intercellular interactions. These cues are ...

Calorespirometry: A Powerful, Noninvasive Approach to Investigate Cellular Energy Metabolism

كالوريسبيروميتري: اتباع نهج موسع، قوية للتحقيق في استقلاب الطاقة الخلوية

Many cell lines used in basic biological and biomedical research maintain energy homeostasis through a combination of both aerobic and anaerobic ...

Autofluorescence Imaging to Evaluate Cellular Metabolism

التصوير الفلوري الذاتي لتقييم التمثيل الغذائي الخلوي

Cellular metabolism is the process by which cells generate energy, and many diseases, including cancer, are characterized by abnormal metabolism. Reduced ...