توسعه‌ی تئوری تماسی ویسکوالاستیک برای میکرو/نانوذرات زیستی استوانه‌ای

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 کارشناس، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

3 استاد، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

10.22041/ijbme.2018.76270.1297

چکیده

در اغلب تئوری­های تماس، که از پرکاربردترین آن‌ها می­توان به سه مدل هرتز،DMT و JKR اشاره کرد، ذرات زیستی به‌صورت جسم کروی الاستیک در نظر گرفته شده­اند که این فرض مناسبی نیست. الاستیک در نظر گرفتن ذرات زیستی منجر به نادیده­ گرفتن تاریخچه‌ی بارگذاری می­شود که در نتیجه­‌ی آن، تاریخچه­‌ی تنش­ها و کرنش­های وارد بر ماده مورد بررسی قرار نمی­گیرد. بنابراین، در بخش اول به توسعه‌ی سه مدل بیان شده، از حالت الاستیک به ویسکوالاستیک در هندسه‌ی کروی پرداخته شد. شبیه­سازی و مقایسه‌ی این سری تئوری با داده­های تجربی به دست آمده از آزمایش دندانه­گذاری سلول سرطانی MCF-10A به‌وسیله‌ی میکروسکوپ نیروی اتمی در این مقاله، نشان داد که حالت ویسکوالاستیک نسبت به حالت الاستیک پیش­بینی بهتری را از رفتار نیرو-دندانه­گذاری این سلول­ ارائه می­دهد. سپس، با توجه به اینکه اکثر باکتری­ها دارای هندسه­ای نزدیک به استوانه هستند، اقدام به توسعه و مدل­سازی تئوری‌های تماسی ویسکوالاستیک برای تماس یک کره و یک استوانه شد. پس از آن، به شبیه­سازی تماس الاستیک و ویسکوالاستیک برای سه دسته‌ی نانوباکتری اپیدرمیدیس، سالیویروس و آئروس، با استفاده از سری دوم تئوری­های توسعه داده‌شده پرداخته شد. مقایسه‌ی نتایج شبیه­سازی تماس الاستیک و ویسکوالاستیک با نتایج آزمایشگاهی موجود (دندانه­گذاری به‌وسیله‌ی میکروسکوپ نیروی اتمی)، نشان داد که در نظر گرفتن حالت الاستیک برای شبیه­سازی تماس نانوذرات زیستی مناسب نبوده و نتایج غیردقیقی را ارائه می­دهد. هم‌چنین، مقایسه‌ی نمودار شعاع تماس برحسب عمق دندانه­گذاری در دو تئوری الاستیک و ویسکوالاستیک نشان داد که به ازای میزان شعاع تماسی ایجادشده‌ی یک‌سان، میزان عمق دندانه­گذاری در حالت الاستیک از ویسکوالاستیک بیشتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Development of Viscoelastic Contact Theory for Cylindrical and Biological Micro/Nanoparticles

نویسندگان [English]

  • Yousef Habibi Sooha 1
  • Mohadese Mozafari 2
  • Moharam Habibnejad Korayem 3
1 M.Sc, Mechanical Engineering Department, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 B.Sc, Mechanical Engineering Department, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
3 Professor, Mechanical Engineering Department, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In the most contact theories such as Hertz, DMT and JKR, which are the most practical contacts models, biological particles are considered as a spherical elastic particle, which is not the best assumption. In this assumption, the history of loadings are not considered in that the history of strains and stresses will not analyzed properly. Therefore, in the first part of this paper, three models of elastic in spherical geometry have been developed to the viscoelastic models. By simulations and comparing the results with the experimental data of MCF-10A (breast-cancer cell), which is derived by Atomic Force Microscopy, it is revealed that viscoelastic models are more accurate than elastic models in the force-indentation curves. Then, according to the fact that most bacteria's geometry is cylindrical, contact theory for a sphere and cylinder have been developed and simulated for three groups of nanobacteria (Epidermidis, SallyVirus, and Aureus). By comparing simulations results with experimental data we observe that elastic models are not reasonable and contacts radius in viscoelastic model are smaller than they were for elastic models. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Atomic Force Microscopy
  • Viscoelastic Contact Theory
  • Elastic Contact Theory
  • Cylindrical Geometry
  • Bacteria
  • MCF-10A
[1]     Hertz, H, “Über die Berührung fester elastischer Körper”, Journal für die reine und angewandte Mathematik, Vol. 92, pp. 156-171, 1881.

[2]     W. Yang, “The Contact Problem for Viscoelastic Bodies”; Journal of Applied Mechanics 33:395-395, 1966.

[3]     K.L. Johnson, K. Kendall, A.D. Robert. “Surface Energy and the Contact of Elastic Solids”; Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences 324:301-313, 1971.

[4]     K. Chaudhury, T. Weaver. “Adhesive contact of cylindrical lens and a flat sheet”. Journal of applied physics, 80(1), pp. 30-37, 1996.

[5]     M. H. Korayem, M. Taheri, “Modeling of various contact theories for the manipulation of different biological micro/nanoparticles based on AFM”, Journal of Nanoparticle Research, Vol. 16, No. 1, pp. 1-18, 2014.

[6]     M.H. Korayem, Z. Rastegar, M. Taheri. “Application of Johnson- Kendall Robert model in nano-manipulation of biological cell: air and liquid environment”, Micro and Nano letters, Vol.7, pp. 576-580, 2012.

[7]     C.Y. Hui, J.M. Baney,” Contact Mechanics and Adhesion of Viscoelastic Spheres”; Langmuir 14:6570-6578, 1998.

[8]     J.F. Bolduc, L.J. Lewis, C.E. Aubin, A.Geitmann. “Finite-element analysis of geometrical factors in micro-indentation of pollen tubes”, Biomechanics and modeling mechanobiology, 227-236, 2006.

[9]     O.I. Zhupanska, “Adhesive full stick contact of a rigid cylinder with an elastic half-space”. International, Journal of Engineering Science, 55, pp. 54-65, 2012.

[10]  M.H. Korayem, H. Khaksar, M. Taheri. “Effective parameters in contact mechanics for Micro/Nano particle manipulation based on Atomic Force Microscopy”, Nanoscinece and Nanotechnology, Vol. 11, pp. 83-92, 2015.

[11]  C. Jin, A. Jagota, C.Y. Hui. “An easy-to-implement numerical simulation method for adhesive contact problems involving asymmetric adhesive contact”, Journal of physics: Applied Physics, Vol. 44, 2011.

[12]  M.H. Korayem, H. Khaksar, M. Taheri. “Modeling of contact theories for the manipulation of biological micro/nanoparticles in the form of circular crowned rollers based on the atomic force microscope”, Journal of Applied Physics, 114:183715,1-13, 2013.

[13]  M. Moradi, A.H. Fereidon, S. Sadeghzadeh. “Dynamic modeling for nanomanipulation of polystyrene nanorod by atomic force microscope”. Scientia Iranica, 18(3), pp. 808-815, 2011.

[14]  M. H. Korayem, R.N. Hefzabad, M. Taheri. “modeling and simulation of spherical and cylindrical contact theories for using in the biological nanoparticles manipulation”; Nanoscience and Nanotechnology 227-229, 2017.

[15]  F.P. Beer, E.R. Johnston, “Mechanics of Materials”, 4th edition, Mc Grow Hill companies, ISBN: 9780073398235, 2006.

[16]  M.D. Louey, P. Mulvaney, P.J. Stewart. “Characterization of adhesional properties of lactose carriers using atomic force microscopy”; Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 25:559-567, 2001.

[17]  Q. S. Li, G.Y.H. Lee, C.N. Ong, C.T. Lim. “AFM indentation study of breast cancer cells”; Biochemical and biophysical research communications 374:609-613, 2008.

[18]  Y. Chen, W. Norde, H.C. Van der mei, H.J. Busscher. “Bacterial Cell Surface Deformation under External Loading”, mbio, Journal of bacterialogy, Vol. 3, 2012.