عنوان پایان‌نامه
بررسی محاسباتی نقش مژک های اولیه در حس تحریک های مکانیکی وارد بر سلول با محاسبه پاسخ آن ها به جریان سیال
- رشته تحصیلی
- مهندسی پزشکی - بیومکانیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 285833;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69858
- تاریخ دفاع
- ۲۹ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- امیرحسین عباس زاده راد
- استاد راهنما
- بهمن وحیدی
- چکیده
- مژک اوّلیّه اندامکی است که تقریباً در تمامی سلول‌های بدن مهره‌داران وجود دارد. این اندامک که مانند شاخک از سطح سلول بیرون زده است به عنوان حسگر سلول شناخته می‌شود که می‌تواند تحریکات مکانیکی و شیمیایی وارد بر سلول را حس کند. در اثر عبور جریان سیّال از سطح سلول، مژک اوّلیّه خم می‌شود و غشای اطرافش تحت کرنش قرار می‌گیرد. در اثر این کرنش کانال‌های یونی موجود در غشا فعال می‌شوند و می‌توانند یون‌های خاص را از خود عبور دهند. به این ترتیب مژک اوّلیّه می‌تواند تحریک مکانیکی را به پیام یونی تبدیل کند و باعث شود که سلول به نحوی جریان سیّال اطراف خود را حس کند. نقش مژک اوّلیّه در تمایز انواعی از سلول‌های بنیادی به سلول‌های استخوانی حائز اهمّیّت است و همچنین نقص عملکرد این اندامک باعث بروز دسته‌ای از بیماری‌ها از جمله بیماری کلیه‌ی پلی‌کیستیک می‌شود. تاکنون گروه‌های مختلفی از پژوهشگران مژک اوّلیّه را مدل‌سازی کرده‌اند تا بتوانند پاسخ آن را به انواع تحریکات مکانیکی از جمله تنش برشی ناشی از جریان سیّال و نیز کرنش کششی وارده از طرف ماتریس برون سلولی شبیه‌سازی کنند. آنها مژک اوّلیّه را مانند یک تیر یک‌سردرگیر فرض کرده‌اند که کاملاً به سلول مقید شده و فقط می‌تواند دچار خمش شود. اخیراً شواهدی به دست آمده است که این فرضیه را به چالش می‌کشد و نشان می‌دهد که مژک می‌تواند حول پایه‌ی خود تغییر زاویه دهد. بنابراین شیوه‌ی اتّصال کانتیلیور نمی‌تواند توجیه کننده‌ی این بخش از پاسخ مژک به جریان سیّال باشد. ما در تحقیق پیش رو مدلی جدید برای مژک ارائه کرده‌ایم که هم چرخش و هم خمش آن را تحت اثر جریان سیّال ممکن می‌سازد. در این مدل مژک توسط یک لایه‌ی نازک الاستیک که یک نوع شرط مرزی است به سلول متصل شده است. این لایه که مرز پایینی مژک را تشکیل می‌دهد امکان چرخش آن حول پایه‌ی خود را فراهم می‌کند تا بتوان بخش دیگر پاسخ این اندامک به جریان سیّال را نیز بررسی کرد. در این تحقیق از روش المان محدود و تکنیک‌های برهم‌کنش سیّال و سازه استفاده کرده‌ایم تا مسئله را شبیه‌سازی کنیم. دامنه‌های مژک جامد و محیط سیّال اطراف آن توسط المان‌های مثلثی شبکه‌بندی شده‌اند. جفت‌شدگی در فرایند حلّ این مسئله از نوع کاملاً جفت‌شده بوده و معادلات حاکم به روش مستقیم حل شده‌اند. نمودارهای بیشینه‌ی تنش در پایه‌ی مژک بر حسب ضریب ال
- Abstract
- The primary cilium is an organelle which occurs singly on nearly every cell in the vertebrate body. This organelle which extends out of the cell surface like an antenna is known as cell sensor which is able to sense mechanical and chemical stimuli applied to the cell. Upon flow of fluid over the cell surface, primary cilium bends and the surrounding membrane experiences strain resulting in activation of ion channels and transfer of special kinds of ions. Thus, primary cilium is able to transduce mechanical stimuli to ion signals and to make the cell somehow sense the surrounding fluid flow. They are considered important in the osteogenic lineage specification of some kinds of stem cells and their malfunction causes a series of disorders such as polycystic kidney disease. Until now different groups of researchers have modelled primary cilium in order to simulate its response to different kinds of mechanical stimuli such as shear stress due to fluid flow and also tensile strain exerted through extra cellular matrix. They have hypothesized the cilium as a cantilevered beam with fixed constraint to the cell which is merely free to bend. Recently, there have been some evidence casting doubts on this hypothesis and showing that primary cilium is free to change direction. Therefore, cantilevered model is not able to explain this part of ciliary response to the fluid flow. In the present study we present a novel model which accommodates for both pivoting and bending in response to the fluid flow. In this model primary cilium is attached to the cell using a thin elastic layer. This layer which comprises the bottom boundary of the cilium provides the possibility of pivoting around its base so that we are able to analyze the other part of ciliary response to the fluid flow. In this study we have used finite element method and fluid-structure techniques to simulate the problem. Domains of solid cilium and the surrounding fluid were meshed using triangular elements. The governi
