Name: finite element modelling of a cellular electric microenvironment
Uploaded: 2021-05-18T12:30:00
Duration: 8 min 23 s
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इस काम को क्वांटिटेटिव एंड बायोफिजिकल बायोलॉजी में 4 साल के वेलकम ट्रस्ट पीएचडी प्रोग्राम ने सपोर्ट किया

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

प्रस्तावित प्रोटोकॉल प्राकृतिक और कृत्रिम मचान के लिए एक समान मॉडलिंग समाधान का सुझाव देता है और ऐसी सामग्रियों पर वरीयता प्राप्त कोशिकाओं पर ईएफ के प्रभावों का निरीक्षण करते समय रेशेदार मचानों के नैनोस्ट्रक्चर पर विचार करने की आवश्यकता पर प्रकाश डालता है। हालांकि ईएफ तीव्रता (इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी से विभाजित इलेक्ट्रोड संभावित अंतर) के लिए एक मोटे सन्निकटन हमें 100 एमवी/मिमी की क्षेत्र शक्ति की उम्मीद करने के लिए प्रेरित करेगा, सिमुलेशन मैट(चित्र 5)के विभिन्न क्षेत्रों में 30% अधिक तक स्थिर क्षेत्र की ताकत की भविष्यवाणी करता है। यह परिणाम ईएस प्रयोग डिजाइन और डेटा व्याख्या में रुचि होनी चाहिए, क्योंकि सेल डेथ बहुत मजबूत ईएफ के कारण हो सकती है। विद्युत माइक्रोएनवायरमेंट को उजागर करने से ईएस और सेलुलर विकास के बीच सीधा संबंध हो सकेगा। जबकि कई अध्ययनों में उपयोग किए गए मचान33, 43,59का विस्तृत आकृतिविज्ञान विश्लेषण प्रस्तुत किया गया है, वे संरचना, सामग्री के विद्युत गुणों और ईएफ के बीच परस्पर क्रिया की जांच नहीं करते हैं। यह प्रोटोकॉल इस लिंक को सक्षम कर सकता है, जैसे कि फाइबर त्रिज्या, कोटिंग लेयर मोटाई, फाइबर और घटक सामग्री के विद्युत गुणों के बीच की दूरी को प्रत्येक प्रयोग के अनुसार संशोधित किया जा सकता है, जो चरण 1.2 और 1.3 पर वैश्विक परिभाषाओं को बदलकर किया जा सकता है। इसलिए, स्थिर और गतिशील ईएस व्यवस्थाओं दोनों के लिए अनुकूलित 3 डी स्थानिक रूप से हल किए गए शुल्क और वर्तमान घनत्व भविष्यवाणियां की जा सकती हैं।
पाड़ डिजाइन अनुकूलन को आरएनसी और आरएनसीडी मॉडल के माध्यम से व्यापक पैरामीटर रेंज अन्वेषणों के साथ लक्षित किया जा सकता है, जो प्रस्तावित मॉर्फोलोजी या उनमें से कुछ हिस्सों को स्केलिंग करता है। वैकल्पिक रूप से, धारा 1.6.5 में रैखिक से त्रि-आयामी तक ऐरे प्रकार को बदलकर और धारा 1.6.2 में पाड़ ज्यामिति को अनुकूल बनाकर प्रस्तावित प्रोटोकॉल के साथ अन्य पाड़ विन्यासों की जांच की जा सकती है। हालांकि, पाड़ अनुकूलन एक उद्देश्य के बिना नहीं किया जा सकता है । जबकि ऊतक इंजीनियरिंग प्रयोजनों के लिए मुख्य ध्यान सेल भाग्य है, क्या उत्तेजनाओं अपने मुख्य निर्धारक है पर एक स्पष्ट तस्वीर आवश्यक है अगर इसके विश्वसनीय नियंत्रण वांछित है । चार्ज और वर्तमान घनत्व सेलुलर इलेक्ट्रिक माइक्रोएनवायरमेंट्स के अच्छे वर्णनकर्ता हैं क्योंकि वे ईएफ और ईसीएम जैसे जटिल मचानों के विभिन्न घटक सामग्रियों के विद्युत गुणों के बीच परस्पर क्रिया दिखाते हैं। प्रोटोकॉल से पता चलता है कि नैनोफाइब्रोस पाड़ ज्यामिति दिए गए उन मैट्रिक्स के लिए भविष्यवाणियों की गणना कैसे करें और ईएफ के साथ फाइबर के संरेखण कोण के महत्व पर प्रकाश डाला गया। चार्ज और वर्तमान घनत्व की भविष्यवाणियों को तब सेलुलर विकास से जोड़ा जा सकता है और इस प्रकार पाड़ और ईएस व्यवस्थाओं को विशिष्ट कार्यों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।
दिलचस्प बात यह है कि एक अध्ययन से पता चलता है कि ईएफ एक्सपोजर ने समानांतर संरेखण60वाली फिल्मों की तुलना में बाहरी ईएफ के लंबवत नैनोफाइबर के साथ समग्र फिल्मों में शक्ति में दोगुने से अधिक यांत्रिक तनाव उत्पन्न किया। रिपोर्ट किए गए यांत्रिक तनाव चार्ज फाइबर के बीच अभिनय करने वाले कूलोम बलों का परिणाम हो सकता है, जिसकी भविष्यवाणी किसी न किसी मॉडल सिमुलेशन (आर सी, आरएनसी, आरएनसीडी)(चित्रा 6)द्वारा की गई है। हालांकि ये सिमुलेशन इस परिकल्पना की जांच करने में उपयोगी हो सकते हैं, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि रिपोर्ट किए गए प्रयोगात्मक परिणाम कैपेसिटिव कपलिंग वाली प्रणाली में प्राप्त किए गए थे, और सिमुलेशन प्रत्यक्ष युग्मन प्रस्तुत करता है। 
एक सेलुलर इनपुट सिग्नल का अनुमान लगाने के लिए प्रोटोकॉल के भविष्य के संभावित उपयोगों की दिशा में एक सीमित कारक पैरामीटर अनिश्चितता है। ज्यामितीय अनिश्चित पैरामीटर परत मोटाई और फाइबर कोर के बीच की दूरी कोटिंग कर रहे हैं। पहले एक मूल्य है कि एक थोक बाधा है कि प्रयोगात्मक रूप से मांय किया जा सकता है की ओर जाता है खोजने के द्वारा अनुमानित किया जा सकता है । दूसरा उच्च रिज़ॉल्यूशन सामग्री स्कैन से निकाला जा सकता है। सामग्री के भौतिक गुणों का वर्णन करने वाले पैरामीटर भी अनिश्चितता से प्रभावित होते हैं। हालांकि, विद्युत चालकता और उदाहरण सामग्री के डाइइलेक्ट्रिक स्थिर प्रयोगात्मक मापने परिशुद्धता(तालिका 2)से कहीं अधिक भिन्न होते हैं। इसलिए, रिपोर्ट किए गए प्रभावों को मध्यम माप त्रुटियों के बावजूद बनाए रखा जाएगा।
परिणाम बताते हैं कि पर्याप्त मॉडल जटिलता प्रासंगिक जानकारी को कैसे छिपा सकती है। यह स्वीकार करना महत्वपूर्ण है कि प्रोटोकॉल भौतिक घटना के एक सरलीकृत संस्करण का अनुकरण करता है क्योंकि यह प्रक्रिया में शामिल सामग्रियों की विभिन्न प्रकृति के लिए खाता नहीं है -कंडक्टर (इलेक्ट्रोड), सेमीकंडक्टर (कोटिंग), डाइइलेक्ट्रिक (फाइबर कोर) और इलेक्ट्रोलाइटिक (आसपास के पदार्थ) - जो चार्ज परिवहन को प्रभावित करने में सक्षम हैं। इस मुद्दे को भविष्य के मॉडल विस्तार में इंटरफेस (यानी, Faradic प्रतिक्रियाओं) और इलेक्ट्रोलाइट के भीतर आयन परिवहन देरी पर ऊर्जा हस्तांतरण देरी जोड़कर हिसाब किया जा सकता है । जटिलता को जोड़ना हालांकि प्रयोगात्मक सत्यापन द्वारा निर्देशित किया जाना चाहिए, एक सरल मॉडल के रूप में जो देखा जाता है उसमें से अधिकांश को पुन: उत्पन्न किया जाता है, जो उल्लेखनीय सटीक जानकारी को जोड़ता है लेकिन कई घटक मापदंडों की अनिश्चितता के प्रति गहराई से संवेदनशील है।
ऊतक इंजीनियरिंग के अंतिम लक्ष्य के रूप में बायोरिएक्टर बनाना है जो न केवल वीवो वातावरण में एक या दो पहलुओं की नकल करते हैं, बल्कि सभी सेलुलर विकासात्मक संकेतों को दोहराने और नियंत्रित करते हैं61,सिलिको मॉडल में विद्युत चुम्बकीय और यांत्रिक के साथ-साथ बायोरिएक्टर घटकों के बीच गर्मी हस्तांतरण के मॉडल को संयुक्त करने की आवश्यकता होगी। बाद के मॉडलिंग चरण में, ओमिक हीटिंग, इलेक्ट्रोलाइटिक द्रव प्रवाह, विद्युत उत्तेजना60 और पीजोइलेक्ट्रिसिटी62 के जवाब में रूपात्मक पाड़ विरूपण जैसे उन इंटरैक्शन के बीच युग्मन घटनाएं भी जोड़ी जा सकती हैं। हालांकि, मॉडलों को केवल प्रत्येक को प्रायोगिक रूप से मान्य किए जाने के बाद ही विलय किया जाना चाहिए। इस तरह, हम सेलुलर माइक्रोएनवायरमेंट में प्रत्येक घटक के प्रभाव की बेहतर समझ प्राप्त कर सकते हैं, और उत्तेजनाओं को कैसे अनुकूलित किया जा सकता है। 
यदि प्रस्तावित मॉडल को प्रायोगिक रूप से मान्य किया जाता है, तो इसे जैविक कोशिकाओं के मॉडल के साथ जोड़ा जा सकता है - चित्र 1। चार्ज घनत्व पैटर्न और मॉड्यूलेशन विषम रूप से विशिष्ट आयन पंपों की गतिविधि को प्रभावित कर सकते हैं, झिल्ली आसंजन63 ड्राइविंग प्रोटीन के फाइबर के प्रति लगाव को प्रभावित कर सकते हैं और इसलिए माइग्रेशन, प्रसार पैटर्न और मॉर्मोजेनेसिस64का मार्गदर्शन कर सकते हैं। उन परिकल्पनाओं की खोज ES के ऊतकों और सेल प्रतिक्रियाओं को रेखांकित तंत्र को समझने में आगे का रास्ता है ।

<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

नैदानिक अध्ययन विद्युत उत्तेजना (ईएस) को विभिन्न ऊतकों के उपचार और पुनर्जनन के लिए एक संभावित चिकित्सा बताते हैं। विद्युत क्षेत्रों के संपर्क में आने पर सेल प्रतिक्रिया के तंत्र को समझना इसलिए नैदानिक अनुप्रयोगों के अनुकूलन का मार्गदर्शन कर सकता है। इन विट्रो प्रयोगों का उद्देश्य उन लोगों को उजागर करने में मदद करना है, जो व्यापक इनपुट और आउटपुट रेंज के लाभ की पेशकश करते हैं जिन्हें नैतिकता की दृष्टि से और प्रभावी ढंग से मूल्यांकन किया जा सकता है। हालांकि, इन विट्रो प्रयोगों में प्रगति नैदानिक सेटिंग्स में सीधे पुन: पेश करना मुश्किल है। मुख्य रूप से, ऐसा इसलिए है क्योंकि विट्रो में उपयोग किए जाने वाले ईएस उपकरण रोगी उपयोग के लिए उपयुक्त लोगों से काफी भिन्न होते हैं, और इलेक्ट्रोड से लक्षित कोशिकाओं तक का रास्ता अलग होता है। वीवो प्रक्रियाओं में इन विट्रो परिणामों का अनुवाद करना इसलिए सीधा नहीं है। हम इस बात पर जोर देते हैं कि सेलुलर माइक्रोएनवायरमेंट की संरचना और भौतिक गुण वास्तविक प्रयोगात्मक परीक्षण स्थितियों में एक निर्धारित भूमिका निभाते हैं और सुझाव देते हैं कि प्रभार वितरण के उपायों का उपयोग इन विट्रो और वीवो के बीच के अंतर को पाटने के लिए किया जा सकता है। इस पर विचार करते हुए, हम दिखाते हैं कि कैसे सिलिको परिमित तत्व मॉडलिंग (FEM) में सेलुलर माइक्रोएनवायरमेंट और इलेक्ट्रिक फील्ड (ईएफ) एक्सपोजर द्वारा उत्पन्न परिवर्तनों का वर्णन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। हम इस बात पर प्रकाश डालते हैं कि शुल्क वितरण निर्धारित करने के लिए ज्यामितीय संरचना के साथ ईएफ जोड़े कैसे हैं। इसके बाद हम चार्ज मूवमेंट पर समय पर निर्भर जानकारियों का असर दिखाते हैं । अंत में, हम दो केस स्टडीज का उपयोग करके सिलिको मॉडल पद्धति में अपने नए की प्रासंगिकता प्रदर्शित करते हैं: (i) इन विट्रो रेशेदार पाली (3,4-एथिलेंडिऑक्सिथिओफेन) पॉली (स्टायरेसुलफोनेट) (पेडोट-पीएसएस) मचान और (ii) वीवो कोलेजन इन एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स (ईसीएम) में।

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Finite Element Modelling of a Cellular Electric Microenvironment

यह पेपर एक इलेक्ट्रिक फील्ड (ईएफ) के संपर्क में आने वाली रेशेदार प्रवाहकीय सामग्रियों के परिमित तत्व मॉडल बनाने के लिए एक रणनीति प्रस्तुत करता है। मॉडल का उपयोग विद्युत इनपुट का अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है जो ऐसी सामग्रियों में वरीयता प्राप्त कोशिकाओं को पीपाड़ के घटक सामग्री गुणों, संरचना या अभिविन्यास को बदलने के प्रभाव का आकलन करता है।

एक सेलुलर इलेक्ट्रिक माइक्रोएनवायरमेंट का परिमित तत्व मॉडलिंग

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

यह विधि एक फाइबर पाड़ पर बैठे सेल के इलेक्ट्रिक माइक्रोएनवायरमेंट की भविष्यवाणी करने में मदद करती है, जैसे कि एक्सट्रासेलुलर मैट्रिक्स। इनसिलिको मॉडलिंग से पैदा होने वाले दो मुख्य फायदे हैं। प्रायोगिक स्थितियों की भविष्यवाणी 3 डी है, जबकि अनुकूलन पैरामीटर परिवर्तन की आसानी से सक्षम है।विद्युत उत्तेजना कई ऊतकों के उत्थान को सहायता देती है। इसी तरह के इनसिलिको मॉडल में यह मॉडल उत्तेजना मापदंडों के अनुकूलन में मदद करेगा। शुरू करने के लिए, COMSOL सॉफ्टवेयर खोलें और खाली मॉडल का चयन करें।मॉडल बिल्डर में, वैश्विक परिभाषाओं पर सही क्लिक करें, मापदंडों का चयन करें और पाठ पांडुलिपि में तालिका एक के अनुसार पैरामीटर जोड़ें। आप उन्हें एक-एक करके जोड़ सकते हैं, या उन्हें टेक्स्ट फ़ाइल से लोड कर सकते हैं। वैश्विक परिभाषाओं के तहत मॉडल बिल्डर में, सही क्लिक सामग्री और सामग्री जोड़ने के लिए खाली सामग्री का चयन करें।सामग्री गुणों को जोड़ने के लिए, नई जोड़ी गई सामग्री की सेटिंग्स में जाएं, फिर सामग्री गुणों का विस्तार करें और बुनियादी गुणों से विद्युत चालकता का चयन करें। संपत्ति जोड़ने के लिए प्लस प्रतीक दबाएँ। सापेक्ष अनुमति के लिए इस प्रक्रिया को दोहराएं।पाठ पांडुलिपि से तालिका दो के अनुसार वर्तमान सामग्री गुणों में भरें। इसके बाद, होम टैब से ऐड कंपोनेंट पर बाएं क्लिक करें और मॉडल बिल्डर में एक नया कंपोनेंट नोड जोड़ने के लिए 3डी का चयन करें। फिर, ज्यामिति पर सही क्लिक करें, डालने अनुक्रम पर बाएं क्लिक करें।फिर पूर्ण मॉडल पर डबल क्लिक करें और उचित अनुक्रम का चयन करें। मॉडल बिल्डर में वर्तमान घटक नोड के तहत, सही क्लिक सामग्री और सामग्री लिंक का चयन करें। इस क्रम में प्रत्येक घटक के लिए संबद्ध सामग्री, आसपास के पदार्थ, कोट और कोर।आसपास के पदार्थ के लिए सेटिंग्स टैब में, मीडिया चयन चुनने के लिए चयन सूची का विस्तार करें। लिंक सेटिंग्स का विस्तार करें और ड्रॉप-डाउन सूची से संस्कृति मीडिया जैसी उपयुक्त सामग्री चुनें। संस्कृति मीडिया ब्लॉक के भीतर डोमेन देखने के लिए, ग्राफिक्स टैब में पारदर्शिता बटन को सक्रिय करें।अन्य सामग्री लिंक को उसी तरीके से कॉन्फ़िगर करें। मॉडल बिल्डर में, बाएं क्लिक वर्तमान घटक, जोड़ें भौतिकी का चयन करें, फिर इलेक्ट्रिक करंट मॉड्यूल का चयन करने के लिए एसी/डीसी मॉड्यूल का विस्तार करें और घटक में जोड़ें पर क्लिक करें। सीमा शर्तों को परिभाषित करने के लिए, ग्राफिक्स टैब में XY दृश्य का चयन करें।मॉडल बिल्डर के पास फिर से जाएं, इलेक्ट्रिक करंट्स नोड पर सही क्लिक करें और जमीन का चयन करें। इसके बाद, सीमा चयन के लिए चयन स्विच को सक्रिय रखें। एक्सजेड विमान के समानांतर उच्चतम आसपास के पदार्थ के चेहरे पर बाएं क्लिक करें और सीमा चयन बॉक्स में सीमा पांच जोड़ें।मॉडल बिल्डर में, इलेक्ट्रिक करंट नोड पर सही क्लिक करें और टर्मिनल का चयन करें। सीमा चयन को सक्रिय रखते हुए, एक्सजेड विमान के समानांतर सबसे कम आसपास के पदार्थ के चेहरे पर क्लिक करें और सीमा चयन बॉक्स में भी सीमा जोड़ें। फिर टर्मिनल चयन का विस्तार करके, टर्मिनल प्रकार ड्रॉपडाउन सूची में एक वोल्टेज का चयन करें और वोल्टेज के लिए वी शून्य भरें।मॉडल बिल्डर में वैश्विक परिभाषाओं के तहत, बाएं क्लिक पैरामीटर और पैरामीटर थीटा को सिमुलेशन के लिए वांछित फाइबर ओरिएंटेशन कोण में बदलें। मॉडल बिल्डर में प्रत्येक घटक के लिए घटक नोड का विस्तार करें, फिर सही, ज्यामिति पर क्लिक करें और सभी का निर्माण चुनें। लेफ्ट- मॉडल बिल्डर में मॉडल रूट नोड पर क्लिक करें और ऐड स्टडी टैब खोलें।स्थिर अध्ययन का चयन करें, और सही क्लिक अध्ययन जोड़ें । नए जोड़े गए अध्ययन के तहत, स्टेप वन पर लेफ्ट-क्लिक करें, स्टडी एक्सटेंशन का विस्तार करें, अनुकूली जाल शोधन बॉक्स की जांच करें और परिष्कृत जाल प्राप्त करने के लिए गणना पर क्लिक करें। बाएं क्लिक करें मॉडल बिल्डर में मॉडल रूट नोड और ऐड स्टडी टैब खोलें, स्टेशनरी स्टडी और राइट क्लिक ऐड स्टडी का चयन करें।नए जोड़े गए अध्ययन के तहत, स्टेप वन पर लेफ्ट-क्लिक करें, जाल चयन का विस्तार करें और अनुकूली जाल शोधन अध्ययन में उत्पन्न जाल का चयन करें। गणना बटन पर सही क्लिक करके आगे बढ़ें। मॉडल बिल्डर में परिणाम नोड पर राइट-क्लिक करें और सेटिंग्स को संपादित करने के लिए 3D प्लॉट समूह का चयन करें।घनत्व को चार्ज करने के लिए लेबल बदलें और ड्रॉपडाउन सूची से डेटासेट का विस्तार करके सेट किए गए पैरामेट्रिक अध्ययन डेटा का चयन करें। फिर रंग किंवदंती में, शो किंवदंतियों के लिए बक्से की जांच करें और अधिकतम और न्यूनतम मूल्य दिखाएं। फिर से परिणाम नोड के तहत, वॉल्यूम का चयन करने और सेटिंग्स टैब को संपादित करने के लिए आगे बढ़ने के लिए सही-क्लिक चार्ज डेंसिटी।डेटा टैब का विस्तार करें, फिर माता-पिता से चुनें और ईसी में भरें। अभिव्यक्ति बॉक्स में RHOQ। रेंज टैब से मैनुअल कलर रेंज बॉक्स की जांच करें और न्यूनतम और अधिकतम शून्य से 0.3 और 0.3 तक क्रमशः सेट करें। रंग और शैली का विस्तार करें और रंग तालिका और रंग तालिका को लहर में सेट करें।रंग किंवदंती बॉक्स और समरूपता रंग रेंज की जांच करें। राइट-क्लिक वॉल्यूम और मॉडल बिल्डर और फ़िल्टर का चयन करें। सेटिंग्स टैब पर जाएं और शामिल करने के लिए तार्किक अभिव्यक्ति भरें।ग्राफिक्स विंडो में परिणामों की कल्पना करने के लिए प्लॉट बटन पर बाएं-क्लिक करें। इस विश्लेषण में, सिमुलेशन परिणाम को प्रभावित करने वाले पांच अलग-अलग ज्यामितीय जटिलता चरण प्रदर्शित किए जाते हैं। एक जाल जो बहुत मोटा है, प्रासंगिक जानकारी छुपा सकता है।अनुकूली जाल शोधन का उपयोग करके, छोटे तत्वों के साथ एक जाल प्राप्त किया जाता है, क्योंकि यह सटीक परिणामों के लिए आवश्यक है। रेशेदार मैट मॉडल के लिए जटिलता के विभिन्न स्तरों पर, बिजली के क्षेत्र की ताकत संभावित ढाल के संबंध में फाइबर के संरेखण से प्रभावित थी। इसके अतिरिक्त, फाइबर संरेखण बिजली की क्षमता ढाल के लिए angled आसपास के सेल संस्कृति मीडिया में अंतरिक्ष चार्ज घनत्व को प्रभावित करता है ।पाड़ फाइबर अभिविन्यास अध्ययन में, अध्ययन राज्य आरएनसी मॉडल भविष्यवाणियों सचित्र थे जब फाइबर समानांतर या विद्युत क्षेत्र के लिए लंबवत थे । चार्ज घनत्व और वर्तमान घनत्व बिजली के क्षेत्र के सापेक्ष पाड़ फाइबर संरेखण से प्रभावित थे। इस प्रोटोकॉल का उपयोग फाइबर पाड़ सेगमेंट के आसपास चार्ज घनत्व पर पैरामीटर परिवर्तनों के प्रभाव की जांच करने के लिए किया जा सकता है।यह याद रखना महत्वपूर्ण है, कि डेटा या भौतिक गुणों जैसे मॉडल मापदंडों को बदलकर, परिणामस्वरूप चार्ज घनत्व सीमा काफी बदल सकती है। सर्वोत्तम दृश्य के लिए, सीमा को अनुकूलित किया जाना चाहिए ताकि आवेशित घनत्व में अधिकतम परिवर्तनशीलता देखी जा सके।

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