بناء نماذج العناصر المحدودة المعنية بالتحقيق في الزرد الفك الميكانيكا الحيوية

الهدف العام من تقنية النمذجة هذه هو محاكاة البيئة الميكانيكية التي يمر بها تطوير فكي الزرد. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال العضلات والعظام ، مثل ، كيف تتغير أنماط الحمل الميكانيكي بمرور الوقت؟ وكيف تحفز هذه الأحمال سلوك الخلية.

الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها تسمح لنا بتحليل أنماط التعبير الجيني والتغيرات في سلوك الخلية في سياق البيئة الميكانيكية. يمكن أن توفر هذه الطريقة نظرة ثاقبة لتطور الهيكل العظمي. يمكن تطبيقه أيضا على أي بنية بيولوجية أخرى تتعرض للحمل الميكانيكي ، مثل العناصر الهيكلية في الفقاريات العليا ، أو نظام القلب والأوعية الدموية.

بشكل عام ، قد يكافح الأفراد الجدد في هذه الطريقة ، لأن المصطلحات والبرامج تفترض خلفية في الهندسة. لتصور شكل العناصر الهيكلية ، وتحديد العضلات ، وتحديد الموضع الدقيق لمرفقات العضلات ، قم بتلطيخ الأسماك في العمر المناسب للميوسين الهيكلي والكولاجين من النوع الثاني. أولا ، قم بإصلاح يرقة السمك في 4٪ بارافورمالدهيد و PBS لمدة ساعة واحدة.

ثم اغسل المثبت باستخدام غسلتين PBT. بعد ذلك ، قم بتجفيف اليرقة في 50٪ من الميثانول و PBT لمدة خمس دقائق ، متبوعا ب 100٪ من الميثانول لمدة خمس دقائق. يمكن بعد ذلك تخزين اليرقات في 100٪ من الميثانول لحين الحاجة.

عند الحاجة ، أعد ترطيب اليرقة في 50٪ ميثانول و PBT لمدة خمس دقائق. ثم اغسله في PBT لمدة خمس دقائق. الآن ، قم باختراق اليرقة بنسبة 0.25٪ من التربسين و PBT على الجليد لمدة خمس إلى ست دقائق.

ثم اغسله في PBT لمدة خمس دقائق وكرر غسل PBT ثلاث مرات أخرى. قبل تطبيق الأجسام المضادة ، قم بسد اليرقة لمدة ساعتين إلى ثلاث ساعات في مصل 5٪ و PBT. بعد ذلك ، احتضان اليرقة في التخفيف الموصى به من الكولاجين المضاد للنوع الثاني والأرانب المضادة للأجسام المضادة للميوسين مع 5٪ مصل و PBT.

قم بإجراء هذه الحضانة لمدة ساعة واحدة في درجة حرارة الغرفة ، أو طوال الليل عند أربع درجات مئوية. بعد تطبيق الأجسام المضادة الأولية ، اغسل اليرقة في PBT ما مجموعه ست مرات لمدة 15 دقيقة لكل غسلة. بعد غسل PBT ، ضعي مصل 5٪ وكتلة PBT لمدة ساعة أو ساعتين.

الآن ، قم بتطبيق الأجسام المضادة الثانوية ، من الآن فصاعدا مع الحفاظ على المستحضر في الظلام قدر الإمكان. استخدم الأجسام المضادة الثانوية المضادة للفئران والأرانب ذات العلامات الفلورية في مصل 5٪ و PBT. بعد تطبيق الأجسام المضادة الثانوية ، اغسل اليرقة في PBT ست مرات لمدة 10 دقائق لكل غسلة.

يمكن الآن تصوير أي يرقة ملطخة كما هو موصوف ، أو تعبر عن علامات الفلورسنت ، باستخدام مجهر متحد البؤر على النحو التالي. التقط مجموعة صور متحدة البؤر للمنطقة محل الاهتمام باستخدام عدسة موضوعية 10x مع تكبير/تصغير رقمي بمعدل 2.5x تقريبا. قم بإثارة القناة الخضراء والحمراء باستخدام ليزر 488 نانومتر وليزر 561 نانومتر.

بعد ذلك ، التقط صورا بحجم 512 بكسل مربع باستخدام فاصل مستوى z يبلغ 1.3 ميكرون بمتوسطات ثلاثة أسطر. حوالي 100 z سوف تملأ المكدس. تصدير البيانات كمكدس صور TIFF.

افتح مكدس صور TIFF واعرض جميع القنوات في البرنامج المناسب. انقر بزر الماوس الأيمن فوق قناة الغضروف ، وحدد orthoslice ، وقم بإنشائه. ثم ، انقر بزر الماوس الأيمن على قناة الغضروف وحدد معالجة الصور ، والتنعيم وتقليل الضوضاء ، وحدد مرشح الصورة ، وقم بتبديل تنعيم Gaussian.

في طريقة عرض المشروع، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الصورة التي تمت تصفيتها وحدد تجزئة الصورة، ثم قم بتحرير تسمية جديدة. قم بإنشاء ملصق جديد لكل مادة ، مثل الغضروف والمفصل. بعد ذلك ، حدد منطقة الغضروف في الصورة باستخدام أداة العصا السحرية مع تشغيل تبديل جميع الشرائح ، واستخدم أداة الفرشاة لإزالة الضوضاء من الخطوط العريضة.

بعد ذلك ، حدد منطقة المفصل باستخدام أداة الفرشاة ، وقم بتعيينها لمكون المفصل وكرر العمل في جميع أنحاء المفصل. لتنعيم شرائح متعددة في وقت واحد، حدد تجزئة من القائمة العلوية، وحدد Smooth labels. بعد ذلك ، لإنتاج عرض سطح ثلاثي الأبعاد للمكون ، انقر بزر الماوس الأيمن على الصورة وحدد إنشاء سطح.

الآن ، انقر فوق السطح المعروض ، واحفظ البيانات كملف HMASCII للتشابك software. 3D يعد إنشاء شبكة خطوة حاسمة في إنشاء نموذج جيد. تحتاج إلى التنازل بين شبكة تمثل الشكل الحقيقي للهيكل الذي تحاول تصميمه ، دون تضمين الكثير من التفاصيل التي تقدم عناصر المشكلة ، مثل تلك ذات الزاوية الصغيرة جدا أو الكبيرة جدا.

لإنشاء الشبكة ، قم باستيراد النموذج ثلاثي الأبعاد إلى حزمة برامج قادرة. لإنشاء شبكة ثنائية الأبعاد من الغضاريف وأسطح المفاصل ، استخدم أداة shrinkwrap ضمن القائمة 2D. اختر حجم عنصر بين 1.5 و2.5.

يمكن إجراء مجموعة من الشبكات السطحية ذات الأحجام المختلفة لتنفيذ تحسين الشبكة ثلاثية الأبعاد. من أجل التأكد من أن الشبكة مستمرة بين أسطح المفصل والغضاريف ، يجب أن تشترك أي عناصر على الحدود في عقد مشتركة. لتحقيق ذلك ، قم بإزالة السطح الداخلي للمفصل ، وترك أنبوب مجوف.

استخدم مفتاح الدالة F2 للوصول إلى الاختصار إلى قائمة حذف العناصر. حدد العناصر المراد حذفها. اضبط العقد الحدودية لتتناسب مع سطح الغضروف.

استخدم مجموعة من مفاتيح الوظائف F2 وF3 وF6 لحذف العقد ونقلها وإنشاء عناصر جديدة، على التوالي. أخيرا ، قم بتكرار سطح الغضروف عند المفصل باستخدام قائمة مكونات تنظيم المجمع. استخدم مفتاح الدالة F2 لحذف جميع العناصر غير المشتركة.

بعد ذلك ، قم بإجراء فحوصات الجودة بالانتقال إلى لوحة Check elements. تحقق من العناصر المكررة والإدخالات والاختراقات في الشبكة. إذا تم العثور عليها، فقم بتحريرها باستخدام علامة التبويب أدوات.

تحقق من الزوايا ثنائية السطوح باستخدام علامة تبويب الأداة المساعدة الموجودة في خيار شجرة النموذج. لإنشاء شبكة ثلاثية الأبعاد من الشبكات السطحية ثنائية الأبعاد ذات أحجام العناصر المختلفة ، استخدم أداة Tetramesh. قارن بين أحجام الشبكات المختلفة، وحدد نموذج FE بأقل حجم للشبكة يتقارب بعد مزيد من عمليات المحاكاة، ولا يضر بتعريف الميزة.

بعد ذلك ، باستخدام أداة المسافة ، قم بتحويل الشبكة بحيث يتم قياس نموذج الفك. تأكد من توصيل مكونات الغضروف والمفاصل في النموذج عن طريق تصدير نموذج مدمج ، أو باستخدام الروابط. بعد ذلك ، قم بتطبيق الأحمال والقيود وخصائص المواد على نموذج FE لمحاكاة وظيفة الفك.

باستخدام المداخن متحد البؤر المسماة كدليل ، حدد العضلات. أولا ، قم بتعيين العقد التي تتوافق مع نقاط التعلق بالعضلات. بعد ذلك ، قم بإنشاء متجهات بين العقد التي تمثل أصل كل عضلة وإدخالها.

بعد تحديد جميع العضلات ، قم بإنشاء مجمع تحميل للتاريخ ، وقم بتطبيق Cload على كل عضلة. حدد الحجم بالنيوتن ، وقم بتعيين المتجه المرتبط. بعد ذلك ، قم بتعيين خصائص المواد المتناحية: مرنة مناسبة ، على النحو الذي تحدده الأدبيات.

بعد ذلك، قم بإنشاء مجمع تحميل حدودي، وقم بتطبيق بعض القيود الأولية على النموذج. اختر العقد المراد تقييدها ، وحدد عامل درجات الحرية المشابه للنطاق الطبيعي للحركة للعضلات التي تحددها تلك العقد. الآن ، قم بإنشاء خطوة تحميل لكل نوع من أنواع الحركة لمحاكاتها.

ضمن قائمة التحليل، حدد جميع الأحمال والقيود ذات الصلة لمحاكاة الحركة التي يتم تحديدها. ثم حدد ثابتا من القائمة المنسدلة. عندما تكون جاهزا ، قم بتصدير النموذج بتنسيق ملف مناسب ، بما في ذلك الشبكة والأحمال والقيود وخصائص المواد.

في هذه الحالة، يتم اختيار تنسيق INP. بعد ذلك ، قم بتحميل النموذج في برنامج تحليل FE. في ذلك ، قم بإنشاء وتنفيذ وظيفة للنموذج ، وتحليل المخرجات للإجهاد والإجهاد والإزاحة وما إلى ذلك.

حدد ثلاث إلى ستة يرقات من الزرد المعدلة وراثيا ، وقم بتخدير اليرقات برفق باستخدام 0.02٪ MS-222 حتى تتوقف عن الاستجابة للمس ، لكن قلوبها لا تزال تنبض. بعد ذلك ، قم بتركيب اليرقات بشكل جانبي على زلات الغطاء في فاتر ، 1٪ من نقطة الانصهار المنخفضة في محلول دانيو. بعد ذلك ، قم بإزالة الاغاروز بعناية من حول الرأس والفك باستخدام ملقط.

بعد ذلك ، باستخدام ماصة باستور ، اغسل محلول دانيو الطازج على رأس اليرقة لإزالة التخدير. افعل ذلك حتى تستأنف حركة الفم الطبيعية. الآن ، استخدم برنامج التقاط الأفلام لالتقاط مقاطع فيديو فلورية عالية السرعة لحركات الفم.

قم بتصوير الأفلام بأعلى معدل إطارات طالما كانت هناك حاجة لتسجيل دورات فتح الفك المتعددة. في وقت لاحق ، قم بتحليل الحد الأقصى لإزاحة الفك. اختر الإطارات التي تظهر فتح الفك على أوسع نطاق ، وقم بقياس المسافة بين الطرف الأمامي لغضروف ميكل والفك العلوي.

تتوافق نقطة الفك العلوي مع طرف الصفيحة الغربالية. يسمح التلوين المناعي للعضلات والغضاريف ، أو تصوير المراسلين المعدلين وراثيا ، بتصور الهيكل ثلاثي الأبعاد للفك ، جنبا إلى جنب مع العضلات المرتبطة به. من خلال التصوير بدقة عالية ، كان من الممكن بناء نموذج يلتقط الشكل ثلاثي الأبعاد للفك.

يشتمل النموذج على أحمال تم اشتقاق موضعها وحجمها من الصور متحد البؤر للعضلات والغضاريف. من هذا النموذج ، تم اختبار مجموعة من خصائص المواد المختلفة. باستخدام الإزاحة في الجسم الحي التي تظهر من خلال التقاط الفيديو عالي السرعة ، تم اختيار نموذج واحد يكرر هذا النطاق من الحركة بشكل أفضل.

باستخدام خصائص المواد الأكثر دقة والأحمال وبيانات شكل الشبكة ، تم استخدام نموذج FE لاستكشاف أفضل تقدير للبيئة الميكانيكية التي تمت تجربتها خلال هذا الإطار الزمني. على سبيل المثال ، تم قياس أحجام الإجهاد. يمكن تكبير النموذج لرؤية التفاصيل الدقيقة للنمط ، ثم النظر إليه في الأقسام الرقمية لمراقبة التفاصيل في جميع الأبعاد.

بعد مشاهدة هذا الفيديو ، سيكون لديك فهم جيد لكيفية استخدام التصوير متحد البؤر لبناء نموذج ثلاثي الأبعاد دقيق من الناحية الفسيولوجية لبنية بيولوجية تحت الحمل الميكانيكي. أثناء محاولة هذا الإجراء ، من المهم أن تتذكر أن هذا نموذج خطي ومرن ، وأن الغضروف لا يتصرف بالكامل كمادة خطية. يمكن دمج خصائص المواد الأخرى ، مثل النفاذية ، ولكنها قد تتطلب مزيدا من التعديلات على الشبكة.