عنصر النمذجة منهجية الديناميكي تجربة محدودة لتقييم عالية معدل الانفعال الاستجابة الميكانيكية للالحيوية لينة
مايو 18, 2015
الدراسة الحالية تنص منهجية محاكاة عنصر التجربة محدودة بالإضافة إلى الحصول على استجابة الميكانيكية الحيوية ذو محورين من المواد الحيوية لينة (الدماغ والكبد ووتر، والدهون، وما إلى ذلك). النتائج التجريبية عديد المحاور التي نشأت بسبب العينة انتفاخ الحصول عليها من انقسام هوبكنسون اختبار الضغط بار تحولوا إلى صحيح سلوك الإجهاد والانفعال ذو محورين عندما محاكاة من خلال التحسين تكرارية من تحليل عنصر محدود من مادة بيولوجية.
الهدف العام من هذا الإجراء هو الحصول على استجابة الإجهاد والانفعال الحقيقيين عند معدل انفعال عالٍ أحادي المحور للمواد الحيوية اللينة التي يتم اختبارها. ويتحقق ذلك من خلال اختبار عينة من الدماغ أولاً في جهاز قضيب هوبكنسون للضغط المنقسم (SHPB)، ثم معايرة النسخة أحادية البعد من نموذج المادة باستخدام استجابة الإجهاد والانفعال الحقيقيين التجريبية. بعد ذلك، يتم إجراء محاكاة بالعناصر المحدودة (FE) لإعداد جهاز SHPB لتقييم متوسط اتجاه التحميل، والإجهاد، وإجهاد الخط المركزي للعينة.
تتمثل الخطوة النهائية في المقارنة التكرارية بين ملاءمة نموذج المادة أحادي البعد وإجهاد الخط المركزي لمحاكاة العناصر المحدودة (FE)، وبين اتجاه تحميل العناصر المحدودة ثلاثية الأبعاد والإجهاد واستجابة الإجهاد والانفعال الحقيقي التجريبية، وذلك حتى يتم تحقيق توافق جيد بين النتائج المذكورة أعلاه. وفي النهاية، تُستخدم منهجية العناصر المحدودة التجريبية المقترنة لإثبات إمكانية الحصول على استجابة الإجهاد والانفعال الحقيقي أحادي المحور للمواد الحيوية الرخوة باستخدام جهاز SHPB. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية، مثل اختبارات أنبوب الصدمة، في أن هذه التقنية توضح الاستجابة الميكانيكية أحادية المحور للمواد الحيوية الرخوة عند معدلات انفعال عالية.
تمتد تداعيات هذه التقنية لتشمل تشخيص إصابات الدماغ الرضحية من خلال نمذجة جسم الإنسان الافتراضية؛ وذلك لأن البيانات التي يتم الحصول عليها من الطريقة الحالية يمكنها رصد الإصابات الموضعية والأضرار الناجمة عن صدمات الرأس البشري بدقة. لقد بدأت فكرة هذه الطريقة عندما كنا نعمل على ربط بيانات تجربة معدل الانفعال العالي في الدماغ مع نتائج الغدة الدرقية والنمذجة. سيقوم كل من الطبيب البيطري Dr.Jim Cooley، وطالب الدراسات العليا Mr.Soro Patnaik، والباحث المشارك Mr.Wilburn Wittington باستعراض هذا الإجراء، حيث سيتم استئصال أعضاء الخنازير جراحياً، مثل الدماغ أو الكبد أو العضلات أو الدهون أو الأوتار، وذلك تحت إشراف طبيب بيطري.
بعد ذلك، ضعها في حاويات مملوءة بمحلول ملحي منظم بالفوسفات أو PBS للتخزين المؤقت. احفظ حاويات PBS في مبرد ثلجي وانقلها على الفور إلى مرفق الاختبار لتحضير العينات وإجراء اختبار قضيب هوبكنز للضغط المقسم أو SHPB. وبمجرد الوصول إلى مرفق الاختبار، أخرج العضو الخنزيري من حاوية PBS وضعه على سطح معقم.
حدد اتجاه الألياف الأساسي ومواقعها لكل عينة اختبار. ثم استخدم قالب صبغ أسطواني بقطر داخلي 30 millimeter لاستئصال عينة الاختبار من العضو الخنزيري. بعد ذلك، استخدم سنداً لقص العينة للوصول إلى السماكة ونسبة البعد المحددة لاختبار SHPB للعينات الخنزيرية.
يتراوح السُمك بين 10 إلى 15 مليمتر بينما تتراوح نسبة العرض إلى الارتفاع بين 0.33 إلى 0.5. استخدم الفرجار لقياس السُمك والقطر في ثلاثة مواقع مختلفة. ضع قضيب الضرب، والقضيب الساقط، والقضيب الناقل في الوصلات المعدنية لإجراء اختبار SHPV.
تأكد من أن القضبان تتحرك بحرية عند لمسها وأن واجهاتها محاذية لبعضها البعض. ضع سدادة للقضيب الناقل لضمان السلامة. قم بتوصيل مقاييس الانفعال، وثبّت القضيبين الساقط والناقل بمضخم الإشارة.
قم بتشغيل مضخمات تكييف الإشارة وجهاز كمبيوتر وحدة الحصول على البيانات. بعد ذلك، قم بتشغيل برنامج التقاط البيانات عالي السرعة. تحقق من الالتقاط المباشر للإشارات للتأكد من وقوعها ضمن النطاق الطبيعي، وقم بإلغاء إشارات الضوضاء من خلال النقر على أيقونة الصفر.
قم بتحميل قضيب المطرقة بجوار غرفة الضغط. ارفع الضغط داخل غرفة الضغط إلى القيمة المطلوبة عن طريق فتح فوهة خزان النيتروجين ثم صمام مدخل غرف الضغط. قم بتصفير مقياس سرعة الليزر بالضغط على زر التصفير، واضبطه لقياس سرعة قضيب المطرقة عن طريق وضع الشريط العاكس على قضيب المطرقة خلف مستشعرات الليزر.
ضع غرف حصر العينة بحيث لا تعيق حركة القضبان الساقطة والمنعكسة. ثم ضع القضيب الساقط في تلامس مع القضيب النافذ لأغراض المعايرة. قم بإجراء اختبار بدون عينة عن طريق تشغيل مفتاح التشغيل لغرفة الضغط في قضيب Stryker.
بعد إجراء المعايرة، ضع عينة أسطوانية بين القضيب الساقط والقضيب الناقل، ثم أغلق غرفة حصر العينة. تأكد من عدم إجراء أي تهيئة مسبقة للعينة من خلال تجنب تحميل العينة وتفريغها عدة مرات، وقم بإجراء الاختبار فور اكتمال التجهيزات. استخدم مناديل صحية مخصصة للاستخدام مرة واحدة لإزالة بقايا العينة من القضيب الساقط والقضيب الناقل وغرفة حصر العينة.
تخلص من جميع الحطام والمناديل في أكياس السلامة الخاصة بالنفايات البيولوجية الخطرة. قم بتطهير القضبان وغرفة حجز العينة باستخدام محلول تنظيف إيثانول 70% ومناديل تعقيم.
افتح برنامج MSU high rate لتحليل موجات هوبكنز في القضبان. ابدأ تشغيل البرنامج بفحص نافذة الإعدادات واختيار خيار الشد والضغط (tension compression) في علامة تبويب الوضع (mode) لاختبار المحور الواحد. كما يجب اختيار مقياسين في علامة تبويب المقاييس (gauges) ثم النقر على متابعة. في النافذة الرئيسية، اختر علامة تبويب فتح الملف الأول (open file one) وانتقل إلى بيانات الموجة الساقطة من سجل مقياس الانفعال الموجود على القضيب الساقط، ثم اختر علامة تبويب فتح الملف الثاني (open file two) لاستيراد سجل مقياس الانفعال للقضيب الناقل.
بعد ذلك، اختر علامة تبويب المعلمات (parameters) في النافذة الرئيسية وأدخل المعلمات الفيزيائية لإعداد الاختبار، بما في ذلك أبعاد القضيب، وعوامل الجهد إلى الانفعال، ومواقع مقياس الانفعال، وثوابت التشتت اللزوجي المرن. انقر فوق متابعة. ثم اختر علامة تبويب تحديد البيانات (select data) في النافذة الرئيسية واستخدم أشرطة المؤشر لتقليل مجموعة البيانات لتشمل فقط مقدار البيانات التي تحتوي على الموجات الساقطة والمنعكسة والمنقولة.
انقر فوق متابعة. في هذه المرحلة، انتقل إلى علامة تبويب تحديد الموجات (select waves) في النافذة الرئيسية، واستخدم أشرطة المؤشر لتحديد الموجة الساقطة في رسم الموجة الساقطة البياني، والموجة المنعكسة في رسم الموجة المنعكسة البياني، والموجة النافذة في رسم الموجة النافذة البياني. ثم انقر فوق متابعة.
بعد ذلك، حدد علامة التبويب الصحيحة في النافذة الرئيسية للسماح للبرنامج بتصحيح التشتت المرن اللزوجي. الآن حدد علامة تبويب الإزاحة (shift) في النافذة الرئيسية في الرسم البياني للموجة. استخدم المؤشر لسحب الموجات الساقطة والمنعكسة والمنقولة إلى نفس الموضع الزمني الأولي.
من خلال تحديد كل واحدة منها بشكل فردي. في علامة تبويب اختيار الموجة (wave select)، استعرض جميع الموجات في الرسم البياني للبيانات. وبمجرد الانتهاء، انقر فوق "متابعة" (continue) في ملف النتائج.
احفظ موضع وضع الحمل ومخططات السرعة بالنقر على "حفظ باسم" باستخدام برنامج العناصر المحدودة التجاري أو برنامج FE. قم بإنشاء نموذج FE لتجهيزات SHPB، ثم قم بتشغيل محاكاة FE.
تحقق من أن قياسات مقياس الانفعال في التجربة ومحاكاة العناصر المحدودة (FE) متوافقة بشكل جيد. قم بدمج عينة المادة الحيوية في نموذج العناصر المحدودة لإعداد جهاز شريط ضغط هوبكنسون المنفصل (SHPB). قم بتعيين تنفيذ ثلاثي الأبعاد لنموذج مادة متغير الحالة الداخلي لعينة المادة الحيوية.
قم بمعايرة منحنى الإجهاد والانفعال الحقيقي للتجربة مع منحنى الإجهاد والانفعال الحقيقي للنموذج من خلال ضبط معاملات نماذج المواد لمتغير الحالة الداخلي. بعد ذلك، قم بتعيين ثوابت مواد متغير الحالة الداخلي لعينة المادة الحيوية في نموذج العناصر المحدودة (FE) الخاص بتجهيزات جهاز SHPB. ثم، قم بتشغيل محاكاة العناصر المحدودة (FE) باستخدام سرعة قضيب Stryker ومعدل انفعال تشوه العينة المقابل لاختبارات SHPB عند نفس معدل الانفعال.
في الخطوة الثانية من معايرة نموذج العناصر المحدودة (FE)، قم بتشغيل بيانات مقياس الانفعال لمحاكاة العناصر المحدودة. استخدم برنامج معالجة بيانات تجارب قضيب هوبسون لضغط الانفعال (SHPB) وهو برنامج MSU high rate software. وأخيرًا، قم بإجراء متوسط حجمي للإجهاد في اتجاه التحميل على طول عناصر الخط المركزي لعينة نموذج العناصر المحدودة.
يتم هنا توضيح فعالية المنهجية المقترنة. تظهر استجابة الإجهاد والانفعال التجريبية باستخدام SHPV للدماغ حالة إجهاد أقل مقارنة بحالة الإجهاد في محاكي نقطة المادة أحادي البعد، والذي يشبه متوسط حالة الإجهاد في الخط المركزي لعينة العناصر المحدودة (FE). ويرجع ذلك إلى الطبيعة متعددة المحاور للتشوه.
تُظهر عينة BioMAT اللينة المعروضة هنا ثوابت مادية تمثيلية للدماغ، تم الحصول عليها من خلال منهجية تجربة SHPB المقترنة بمحاكاة العناصر المحدودة FE. تمت مقارنة مقاييس انفعال تحليل العناصر المحدودة الافتراضية بمقاييس الانفعال التجريبية، ثم تمت مقارنة محاكي النقاط المادية مع متوسط الخط المركزي للعناصر المحدودة في آن واحد لتحقيق توافق جيد. وهنا تم تغيير الثوابت المادية حتى تحقق التوافق الجيد لأكثر من اثنين منها.
يوضح هذا الشكل أن منحنى الإجهاد-الانفعال الحقيقي التجريبي الناتج عن SHPB يقيس في الواقع الثابت الأول للإجهاد بدلاً من سلوك الإجهاد-الانفعال في اتجاه التحميل أحادي المحور. وبناءً عليه، فإن استخدام النتائج التجريبية لـ SHPB بمفردها سيكون خاطئاً ما لم يتم ربطها بنمذجة من نوع FE لتقييم السلوك أحادي المحور. وبمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن إنجازها في غضون 12 ساعة إذا تم تنفيذها بشكل صحيح.
أثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر أن التجارب تعتمد على الإجهاد متعدد المحاور عند اختبار المواد السلكية اللينة.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة منهجية مزدوجة تعتمد على التجارب والمحاكاة بالعناصر المحدودة لتحديد الاستجابة الميكانيكية الديناميكية أحادية المحور للمواد الحيوية الرخوة مثل الدماغ والكبد. يتضمن هذا النهج استخدام اختبار قضيب هوبكنسون للضغط (Split-Hopkinson Pressure Bar) للحصول على نتائج تجريبية متعددة المحاور، والتي يتم تحسينها لاحقاً من خلال تحليل العناصر المحدودة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- الميكانيكا الحيوية
- علم المواد
- تحليل العناصر المحدودة
خلفية علمية
- تظهر المواد الحيوية الرخوة سلوكيات ميكانيكية معقدة تحت تأثير التحميل الديناميكي.
- قد لا تنجح طرق الاختبار التقليدية في رصد الاستجابات ذات معدلات الانفعال العالية بدقة.
- يمكن لمحاكاة العناصر المحدودة تعزيز فهم سلوك المواد.
- يعد قضيب هوبكنسون للضغط المنقسم (SHPB) أداة شائعة للاختبار الديناميكي.
الغرض من الدراسة
- للحصول على استجابة الإجهاد-الانفعال الحقيقية بمعدل انفعال عالٍ أحادي المحور للمواد الحيوية الرخوة.
- لتحسين دقة نمذجة المواد من خلال التحسين التكراري.
- لإثبات فعالية المنهجية المزدوجة التي تجمع بين التجربة والمحاكاة.
الطرق المستخدمة
- اختبار عينات من الدماغ باستخدام قضيب ضغط هوبكنسون المنفصل (SHPB).
- معايرة نموذج مادي أحادي البعد باستخدام البيانات التجريبية.
- محاكاة العناصر المحدودة لإعداد SHPB لتقييم استجابات الإجهاد.
- مقارنة تكرارية لنتائج المحاكاة مع البيانات التجريبية من أجل التحسين.
النتائج الرئيسية
- نجحت المنهجية في تقديم استجابة الإجهاد-الانفعال الحقيقية أحادية المحور للمواد الحيوية الرخوة.
- تم تحقيق توافق جيد بين النتائج التجريبية والنتائج المحاكاتية.
- تفوقت هذه التقنية على اختبارات أنبوب الصدمات التقليدية في رصد استجابات معدلات الانفعال العالية.
- أثبتت الدراسة إمكانية تطبيق هذه التقنية على نطاق أوسع في اختبار المواد الحيوية.
الاستنتاجات
- تعد منهجية العناصر المحدودة التجريبية المقترنة فعالة للمواد الحيوية الرخوة.
- يعزز هذا النهج فهم سلوك المواد تحت الظروف الديناميكية.
- يمكن للدراسات المستقبلية التوسع في هذه المنهجية لمختلف المواد الحيوية.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
يعد التوصيف الميكانيكي الدقيق للمواد الحيوية الرخوة عند معدلات انفعال عالية أمراً بالغ الأهمية للنمذجة التنبؤية في أبحاث الإصابات وتقييم سلامة الأجهزة. تتيح هذه المنهجية المقترنة بين التجارب وعناصر المحدودة (FE) تقليل مخاطر التحقق من الأهداف من خلال توفير بيانات إجهاد-انفعال كمية وقابلة للتكرار تحت ظروف تحميل ديناميكية ذات صلة فسيولوجياً. ويدعم هذا النهج مواءمة المؤشرات الحيوية الانتقالية وتحسين النماذج قبل السريرية للتطبيقات العصبية والعضلية الهيكلية.
التطبيقات الاستراتيجية في أبحاث وتطوير الأدوية البيولوجية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تتيح الاستقصاء الميكانيكي لاستجابة مستوى الأنسجة للقوى الديناميكية، مما يدعم اختبار فرضيات الأهداف في إصابات الأعصاب ومسارات الإصابة.
- القيمة التشغيلية: توفر مخرجات كمية معيارية لمقارنة سلوك المواد الحيوية عبر نماذج الأمراض أو المتغيرات الجينية.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: توليد منحنيات استجابة ميكانيكية عالية الدقة وقابلة للتكرار، مناسبة لتوحيد المقايسات والمقارنة المرجعية بين المختبرات.
- القيمة التشغيلية: تسهيل تطوير قراءات ميكانيكية حيوية لفحص المركبات أو التدخلات التي تهدف إلى تعديل مرونة الأنسجة.
الأبحاث الانتقالية والقبل سريرية
- القيمة العلمية: يربط بين الاختبارات خارج الجسم (ex vivo) ونمذجة جسم الإنسان الحاسوبية (in silico)، مما يعزز الثقة التنبؤية في دراسات آليات الإصابة.
- القيمة التشغيلية: يتيح معايرة النموذج بشكل تكراري لتحسين دقة المنصات الافتراضية قبل السريرية المخصصة لتقييم الصدمات والأجهزة.
تكامل مسار العمل وسير العمل
تتكامل هذه الطريقة مع سير عمل الاكتشاف المبكر من خلال توفير بيانات التنميط المظهري الميكانيكي الحيوي التي تساهم في تحديد الأهداف وتحليل المسارات قبل تحديد المركبات الرائدة.
- بيولوجيا الاكتشاف: يدعم اختبار الفرضيات المتعلقة بنقل الإشارات الميكانيكية الخلوية وسلامة المصفوفة خارج الخلية تحت الحمل الديناميكي.
- الفحص: يوفر مخرجات كمية ومعيارية للإجهاد والانفعال تتيح إجراء مقارنة موثوقة لظروف المواد الحيوية.
- التحليلات: يستخرج الثابت الأول للإجهاد ومقاييس إجهاد الخط المركزي لإجراء مقارنة كمية بين الظروف التجريبية والمحاكاة.
- الأبحاث الانتقالية: يربط الميكانيكا الحيوية التجريبية بنماذج جسم الإنسان ذات العناصر المحدودة للتنبؤ بالإصابات وتقييم سلامة الأجهزة.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: يؤسس منصة توصيف ميكانيكية حيوية قابلة لإعادة الاستخدام وتطبيقها عبر أنواع متعددة من الأنسجة الرخوة والمجالات المرضية.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: يقلل من الغموض الميكانيكي في نمذجة استجابة الأنسجة من خلال التحقق المقترن بين التجارب والمحاكاة.
- القيمة التشغيلية: يضمن قابلية التكرار والتوحيد القياسي لاختبارات معدل الانفعال العالي عبر المختبرات وأنواع العينات المختلفة.
- القيمة الاستراتيجية: يحسن قرارات المضي قدماً أو التوقف في البرامج المتعلقة بالصدمات من خلال توفير بيانات ميكانيكية حيوية تنبؤية في مرحلة مبكرة من الاكتشاف.
- التأثير على المحفظة: يتيح تحديد أولويات الأهداف بناءً على تقييم المخاطر، وذلك استناداً إلى بيانات الحد من المخاطر الميكانيكية الحيوية المستمدة من معدلات انفعال ذات صلة فسيولوجياً.
اعتبارات التنفيذ
- الخبرة في الميكانيكا الحيوية، وتشغيل قضيب هوبكنسون للضغط المقسم، ونمذجة العناصر المحدودة.
- الأجهزة والمعدات التي تشمل جهاز SHPB، ومقاييس الانفعال، وأنظمة الحصول على البيانات عالية السرعة، وبرامج محاكاة FE.
- بروتوكولات التقييس لإعداد العينات، والمحاذاة، ومعالجة إشارات الموجات لضمان اتساق البيانات.
- اعتبارات التكيف مع الخصائص المتنوعة للمواد الحيوية (على سبيل المثال، الدماغ مقابل الوتر) والتي تتطلب إعادة معايرة النموذج.
- تشمل القيود العملية انتفاخ العينة مما يستدعي إجراء تحليل إجهاد قائم على الثوابت، وقيود حيوية الأنسجة بعد الوفاة.
![[ميكروأرس] البوليمر لاكتشاف إنتاجية عالية من المواد الحيوية](/_next/image?url=https%3A%2F%2Fcloudfront.jove.com%2FCDNSource%2Fteasers%2F3636.jpg%3Fv%3D2026-08-25T20%253A07%253A38.000Z&w=384&q=75)
