أساليب لقياس التوجيه ودوران معدل الجسيمات في الاضطرابات 3D-طباعة
يونيو 24, 2016
نستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع جزيئات متباينة الخواص في أشكال الرافعات والصلبان والرباعيات والثلاثيات ، والتي يمكن قياس محاذاة ودوران تدفق السوائل المضطرب من صور فيديو متزامنة متعددة.
الهدف العام من هذه التجربة هو استخدام الطابعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع جزيئات من مجموعة متنوعة من الأشكال وقياس حركتها في تدفق مضطرب. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في ديناميكيات السوائل مثل كيفية دوران الجسيمات ومحاذاتها في تدفقات السوائل المضطربة. ميزتها الرئيسية هي أنه يسمح بقياسات دقيقة لحل الوقت لاتجاهات الجسيمات ذات الأشكال المعقدة التي لا يمكن تحقيقها بالطرق السابقة.
قدمت هذه الطريقة نظرة ثاقبة لحركة الأقراص والكرات في الاضطراب ، ويمكن استخدامها لقياس ديناميكيات الجسيمات ذات الأشكال المعقدة في العديد من المواقف الأخرى. بشكل عام ، سيكافح الأفراد الجدد في هذه الطريقة مع معايرة الكاميرا ثلاثية الأبعاد وتكييف خوارزمية تحديد الاتجاه مع جسيمات محددة محددة يتم استخدامها. سيساعد جاي ماركوس في إثبات الإجراء ، الذي أجرى التجارب الأصلية مع الصلبان والرافعات.
ابدأ باستخدام برنامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر لإنشاء نماذج جسيمات للطباعة. لإنشاء ثالوث باستخدام AutoCAD ، استخدم أولا الأمر circle لرسم دائرة بقطر 0.3 ملم. بعد ذلك ، استخدم الأمر extrude لعمل أسطوانة بطول ثلاثة ملليمترات.
الأسطوانات بهذا الحجم هي اللبنات الأساسية للجسيمات. الآن استخدم الأمر rotate وحدد محور الدوران ليكون على طول المحور X ، وزاوية الدوران لتكون 90 درجة. اضبط العرض للسماح للمساحة بالعمل مع الأسطوانات الأخرى.
بعد ذلك ، قم بعمل نسخة من الأسطوانة التي ستكون الذراع الثاني للثالوث. في نهاية هذه الأسطوانة ، قم بتطبيق الأمر rotate 3D مع محور الدوران على طول المحور Z. قم بتدوير الأسطوانة 120 درجة للثالوث.
حرك الأسطوانة المستديرة إلى موضعها لتشكيل ذراع الثالوث. يجب أن تتطابق مراكز نهايات الأسطوانة. اصنع الذراع الثالثة وضعها بنفس الطريقة.
بعد ذلك ، قم بتدوير الكائن بحيث لا توجد أسطوانة تشير على طول الوصول الرأسي أو الأفقي. عندما تكون جميع الأذرع في مكانها ، حددها جميعا واستخدم أمر الاتحاد لضمها في كائن واحد. احفظ الملف بتنسيق للطباعة ثلاثية الأبعاد.
قم بإنشاء الجسيمات الأخرى لاستخدامها في التجربة باتباع خطوات مماثلة. بالإضافة إلى الثالوث ، هناك صليب مصنوع من أسطوانتين متعامدين مع مركز مشترك ، والرافعة المصنوعة من ثلاث أسطوانات متعامدة بشكل متبادل مع مركز مشترك ، والرباعي الذي تشترك فيه الأسطوانات في نهاية مشتركة ، وهي بزوايا 109.5 درجة فيما يتعلق ببعضها البعض. احصل على حوالي 10 ، 000 من كل نوع جسيمات مطبوعة في وضع الدقة العالية.
استعد لتخزين الجزيئات المطبوعة في محلول تطفو فيه بشكل محايد. لهذا ، استخدم محلول كلوريد الكالسيوم ، وحوالي 1،600 لتر من الماء بكثافة الطفو المحايدة. قم بإزالة حوالي لتر واحد من المحلول لتخزين كل نوع من أنواع الجسيمات.
خذ لتر المحلول إلى المقعد وابدأ العمل مع الجسيمات. تمت طباعة الجسيمات المستخدمة في هذه التجربة تجاريا. يصلون مغلفين بالراتنج المستخدم كمواد دعم.
حرر الجزيئات عن طريق تقسيم القطع الكبيرة برفق إلى أقسام صغيرة. اعمل مع كل قسم لتدليكه يدويا حتى ينفجر الكثير من الراتنج الزائد. هذا سيجعل الخطوات اللاحقة أسهل.
لمزيد من التنظيف للجزيئات ، قم بإعداد محلول 10٪ من هيدروكسيد الصوديوم في دورق بعد ذلك ، ضع بعض الجزيئات وما تبقى من راتنجها مغلف في الدورق لإزالة الراتنج. انقل الدورق مع المحلول إلى حمام بالموجات فوق الصوتية.
احتفظ بالجزيئات في الحمام بالموجات فوق الصوتية لمدة ساعة واحدة في البداية ، ثم نصف ساعة إضافية بعد الشطف. لاستعادة الجزيئات ، قم بإعداد دورق ثان لتلقي محلول هيدروكسيد الصوديوم من الحمام والفلتر. بعد اكتمال خطوات التنظيف بالموجات فوق الصوتية ، استخدم القفازات لإزالة الدورق من الحمام ، وصب المحتويات من خلال الفلتر في الدورق الثاني.
اشطف الجزيئات قبل نقلها إلى محلول مطابق للكثافة حيث سيتم غمرها لمنع التشوه. هذه هي الجزيئات التي تم تحريرها من راتنجها ، وتنظيفها في الحمام بالموجات فوق الصوتية ، وهي الآن جاهزة للصباغة حتى تتألق تحت ضوء الليزر الأخضر. لصبغ الجزيئات ، استخدم محلول لتر واحد من صبغة الرودامين ب في الماء وضعها على طبق ساخن.
سخني الصبغة إلى 80 درجة مئوية لمادة هذا الجسيم. املأ وعاء صغير بشكل غير محكم بجزيئات من التخزين. سيكون هذا حوالي 2،500 جسيم.
أضف الجزيئات إلى محلول الصبغة ، وحافظ على درجة الحرارة أثناء غمرها. بعد حوالي ساعتين أو ثلاث ساعات ، قم بإزالة المحلول والجزيئات من الحرارة. استخدم شبكة وحاوية منفصلة لتصفية الجسيمات من المحلول.
احرص على عدم إتلافها وهي طرية من الحرارة. بعد ذلك ، اشطف الجزيئات بعناية لإزالة الصبغة الزائدة. عند الانتهاء ، قم بتخزينها في محلول الطفو المحايد حتى تكون هناك حاجة إليها للتجربة.
ستتم التجربة في خزان به كاميرات موضوعة لتسجيل الجسيمات في وسط التدفق. يوفر هذا التخطيطي نظرة عامة على إعداد الخزان ، الذي يحتوي على مقطع عرضي مثمن الأضلاع ، وشبكات متذبذبة تستخدم لإنشاء تدفق مضطرب ، وحجم القياس ، ومواضع الكاميرا. استخدم ما لا يقل عن أربع كاميرات للحصول على دقة قياس الاتجاه.
يجب أن تكون لكل كاميرا دقة ميجابكسل واحدة على الأقل بمعدل 450 إطارا في الثانية ، وأن تكون متصلة بجهاز كمبيوتر مخصص. ضع الكاميرات بزوايا كبيرة بين أي اثنين منها ، وتأكد من تركيزها جميعا على حجم القياس المطلوب. لتقليل التشوه البصري ، تم تضمين منافذ العرض في الخزان بشكل عمودي على اتجاه عرض الكاميرا.
بعد ذلك ، ضع قناع معايرة الصورة في حجم قياس الخزان. سيسمح ذلك بتحليل البيانات التجريبية التي تم جمعها بواسطة الكاميرات. لمحاكاة الظروف التجريبية ، ابدأ في ملء الخزان بمحلول الطفو المحايد السائب.
عندما يمتلئ الخزان ، قم بإعداد الأضواء لإضاءة القناع. بعد ذلك ، عد إلى العمل مع الكاميرات. ركز كل كاميرا على نفس النقطة على القناع، ثم احصل على الصور وخزنها للمعايرة.
بعد تصريف الخزان ، استمر في إعداد التجربة عن طريق وضع ليزر عقيق ألومنيوم إيتريوم نيوديميوم. رتب لجهاز تقسيم الشعاع لتوجيه جزء من شعاع الليزر إلى المرآة. ينتقل الضوء من المرآة عبر العدسات التي تشكل شعاعا أسطوانيا إلى الخزان.
على الجانب الآخر من الخزان ، ضع مرآة لتعكس ضوء الليزر الخارج مرة أخرى على طول مساره. استخدم الإخراج الآخر لفاصل الشعاع وترتيبا مشابها للمرايا والعدسات لإنشاء شعاع أسطواني عمودي على الأول كما هو الحال في هذا الرسم التخطيطي للعرض العلوي. تساعد المرايا التي تخرج منها الحزم على خلق إضاءة أكثر اتساقا.
بعد ذلك ، افحص الخزان المملوء بمحلول كلوريد الكالسيوم المحايد المنزوع الغازات. قبل المتابعة ، تأكد من أن الكاميرات وبرامج الحصول على البيانات جاهزة. استعد لإضافة ما يقرب من 10,000 رباعي تم إعدادها لهذه التجربة إلى الخزان.
انقلهم إلى موضعهم بالقرب من المنفذ في الجزء العلوي من الخزان. عندما تصبح جاهزا ، افتح المنفذ وأضف الجزيئات إلى الماء في الخزان. أغلق المنفذ بمجرد إضافة جميع الجسيمات.
بعد ذلك ، انتقل إلى الليزر. هناك ، قم بتشغيله ، وافتح فتحة الليزر. ثم استخدم عناصر التحكم في الشبكة لبدء تذبذب الشبكة بثلاثة هرتز.
في الخزان ، دع الشبكة تتأرجح لمدة دقيقة واحدة تقريبا للسماح للاضطراب بالتطور بشكل كامل. في هذه المرحلة ، ابدأ في الحصول على البيانات وسجل حوالي مليون إطار. في ختام الجري ، أوقف جمع البيانات وأغلق فتحة الليزر.
بعد إجراء جميع التجارب ، انتقل إلى مخرج الخزان. هناك ، ضع مرشحا لإزالة الجزيئات من المحلول ، وأفرغ الخزان. احتفظ بالجسيمات المجمعة في محلول الطفو المحايد لاستخدامها لاحقا.
قم بإجراء تحليل البيانات على الصور المسجلة باستخدام برنامج للعثور على موضع الجسيمات واتجاهها. يتم تنفيذ الخطوات التالية في البرنامج. بدءا من أربع صور متزامنة لجسيم التقطته الكاميرات الأربع ، استخدم معلومات ثنائية الأبعاد لتحديد موقعه ثلاثي الأبعاد.
قم بعرض نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد للجسيم المضيء على كل كاميرا باستخدام معلمات معايرة الكاميرا. هذا يخلق نموذجا ثنائي الأبعاد لشدة الضوء من الجسيم في جميع الكاميرات الأربع. بعد ذلك ، قم بتشغيل روتين تركيب المربعات الصغرى غير الخطية للعثور على اتجاه النموذج الذي يناسب ما يتم رؤيته في جميع الكاميرات الأربع.
اجمع المعلومات من جميع الكاميرات الأربع لتقليل الفرق بين النموذج المعروض على كل كاميرا والجسيم المرصود. سيتم تنفيذ هذه الخطوات لجميع الإطارات التي تحتوي على جزيئات في عرض جميع الكاميرات. هذا هو تطور رباعي في الموضع والاتجاه.
لاحظ التغيير المتقطع في اتجاه الأذرع الرباعية ، والذي يمكن الحصول عليه بدون ضمانات. يظهر هذا الإصدار الثاني من تطور رباعي الأبعاد أن البرنامج يضمن أن زوايا المزيت لكل إطار هي أصغر دوران فيما يتعلق بالإطار السابق. يتم حفظ معلومات الموضع والاتجاه لاستخدامها لاحقا.
هذه صورة كاميرا واحدة لرباعي في التجربة. في الصورة الثانية ، يشير النموذج المتراكب إلى الاتجاه كما هو موجود بواسطة الخوارزمية. على الرغم من بساطة نموذج الشدة ثنائي الأبعاد ، تنتج الطريقة قياسات دقيقة لاتجاه الجسيمات.
في التجربة ، يتم استخدام خوارزمية إيجاد الاتجاه للحصول على تطور زوايا المزيت على طول المسار الكامل لكل جسيم. هذه إعادة بناء للمسار الكامل للرباعي عبر حجم المشاهدة. يتم تحقيق ذلك من خلال الجمع بين الاتجاه والإحداثيات ثلاثية الأبعاد للجسيم لكل إطار يتم رؤيته فيه بواسطة جميع الكاميرات الأربع.
طول المسار 229 إطارا. لاحظ أن الجسيم غير مرسوم على نطاق واسع. تسمح البيانات أيضا بتحديد دالة الكثافة الاحتمالية لمعدل الهبوط المقاس.
المربعات الحمراء هي بيانات للصلبان. الدوائر الزرقاء هي بيانات للرافعات. يمثل الخط الصلب نتيجة المحاكاة العددية للمجالات ، والتي تتطابق مع البيانات التجريبية بشكل جيد للغاية.
بمجرد إتقانها ، يمكن القيام بهذه التقنية في غضون ثلاثة أيام إذا تم إجراؤها بشكل صحيح. أثناء محاولة هذا الإجراء ، من المهم السماح للجزيئات ببضع ساعات في محاليل ذات كثافات مختلفة. من الضروري أيضا التأكد من محاذاة الكاميرات وتثبيتها ومزامنتها بشكل صحيح طوال مدة التجربة.
باتباع هذا الإجراء ، يمكن استخدام طرق أخرى مثل تتبع جزيئات التتبع لقياس كيفية استجابة الجسيمات المطبوعة ثلاثية الأبعاد لموتر تدرج السرعة الكاملة في التدفق المحيط. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية استخدام الجسيمات متباينة الخواص لاستخراج معلومات حول موتر تدرج السرعة من التدفق المضطرب باستخدام أربع صور فيديو مجسمة لا تنس أن العمل مع صبغة الرودامين ب وهيدروكسيد الصوديوم يمكن أن يكون خطيرا ، ويجب دائما اتخاذ الاحتياطات مثل القفازات والنظارات الواقية أثناء تنفيذ هذا الإجراء.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
النظرة العامة
تستخدم هذه الدراسة الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء جزيئات متباينة في أشكال مختلفة، مثل الأشكال المثلثة والصليبية، للتحقق من سلوكها في تدفقات السوائل المضطربة. تتيح هذه الطريقة قياسات دقيقة لتوجيه الجسيمات ودينامياتها، مما يوفر رؤى حول ديناميكا الموائع.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- ديناميكا الموائع
- تحليل حركة الجسيمات
- تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد
الخلفية
- فهم سلوك الجسيمات في التدفق المضطرب أمر بالغ الأهمية للعديد من التطبيقات.
- الطرق التقليدية لها قيود في قياس الأشكال المعقدة للجسيمات.
- توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد نهجًا جديدًا لتصنيع أشكال هندسية متنوعة للجسيمات.
- يمكن أن تكون معايرة الكاميرات ثلاثية الأبعاد وخوارزميات التوجيه صعبة بالنسبة للوافدين الجدد.
هدف الدراسة
- تصنيع جزيئات بأشكال مختلفة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.
- قياس وتحليل حركة هذه الجسيمات في تدفقات السوائل المضطربة.
- تعزيز فهم كيفية تصرف الأشكال المعقدة في الاضطراب.
الطرق المستخدمة
- الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء جزيئات متباينة.
- التصوير المتزامن بالفيديو لتتبع حركة الجسيمات.
- معايرة الكاميرات ثلاثية الأبعاد لإجراء قياسات دقيقة.
- تطوير خوارزميات تحديد التوجيه لأشكال جسيمات معينة.
النتائج الرئيسية
- تصنيع ناجح للجزيئات بأشكال مختلفة.
- قياسات مفصلة لمحاذاة الجسيمات ودورانها في التدفق المضطرب.
- رؤى حول ديناميات الأقراص والكرات في الاضطراب.
- أظهرت فعالية الأسلوب لأشكال الجسيمات المعقدة.
الاستنتاجات
- توفر الدراسة طريقة جديدة لتحليل سلوك الجسيمات في التدفق المضطرب.
- تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد إنشاء أشكال جسيمات معقدة تعزز قدرات البحث.
- قد تمتد التطبيقات المستقبلية إلى مجالات مختلفة تتطلب تحليل ديناميكا الموائع.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
This method enables precise measurement of anisotropic particle orientation and rotation in turbulent flows, providing quantitative data for fluid dynamics modeling. The approach supports target validation in preclinical research by offering a reproducible system to study particle behavior under controlled flow conditions. It enhances predictive confidence in lead identification by linking particle dynamics to mechanistic insights in complex environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled observation of particle alignment and rotation in turbulent flow.
- Operational Value: Provides a disease-relevant system for functional target validation by simulating physiological fluid environments.
- Predictive Confidence: Supports portfolio triage by generating quantitative orientation and rotation rate data to de-risk mechanistic assumptions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems (via fluorescently dyed particles) for downstream workflows requiring time-resolved motion tracking.
- Operational Value: Ensures assay standardization and reproducibility through synchronized multi-camera imaging and calibration protocols.
- Scalability: Facilitates production of ~10,000 particles per shape, enabling high-throughput screening readiness and platform reuse.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Connects discovery through preclinical validation by measuring rotation rates as translational biomarkers of particle response to flow gradients.
- Operational Value: Addresses risk-adjusted advancement decisions by providing probability density functions of tumbling rates under turbulent conditions.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive de-risking by isolating variables in particle shape and flow dynamics to clarify biological behavior.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from Early Discovery to Lead Identification by enabling hypothesis testing of particle behavior in flow, supporting assay readiness through standardized fabrication, and generating quantitative analytics for condition comparison.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking by measuring how particle orientation evolves in turbulent flow.
- Screening: Delivers assay readiness, reproducibility, and quantitative outputs via four-camera stereoscopic tracking and orientation fitting routines.
- Analytics: Provides measurements of 3D trajectories, orientation evolution, and rotation rate distributions that enable cross-condition comparison.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by using rotation rate as a biomarker-like readout for particle response to mechanical stress in flow.
- Enterprise Reuse: Frames the particle fabrication and imaging pipeline as a reusable capability across model systems and fluid dynamic studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in particle-fluid interactions.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of particle production and motion tracking.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk through early mechanistic insight.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative orientation and rotation data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D camera calibration, stereoscopic imaging, and nonlinear least squares fitting for orientation determination.
- Needs instrumentation including synchronized megapixel cameras (450 fps), laser sheet illumination, and turbulent flow generation via oscillating grids.
- Demands cross-team standardization in particle fabrication, dyeing, and density matching to ensure neutrally buoyant behavior.
- Involves adaptation considerations when applying the orientation algorithm to non-tetrad particle shapes (e.g., crosses, jacks, triads).
- Includes practical limitations such as the need for low-Reynolds number flow (R_λ = 91) to approximate ellipsoidal tracer behavior and avoid particle deformation.
