בניית מודלים אלמנטים סופיים לחקור ביומכניקה לסת דג הזברה

המטרה הכוללת של טכניקת מידול זו היא לדמות את הסביבה המכנית שחווים פיתוח לסתות דג הזברה. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום השרירים והשלד, כגון, כיצד דפוסי עומס מכני משתנים עם הזמן? וכיצד עומסים אלה מעוררים התנהגות תאים.

היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא בכך שהיא מאפשרת לנו לנתח דפוסי ביטוי גנים ושינויים בהתנהגות התאים בהקשר של הסביבה המכנית. שיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי התפתחות השלד. ניתן ליישם אותו גם על כל מבנה ביולוגי אחר שחווה עומס מכני, כגון יסודות השלד בבעלי חוליות גבוהים יותר, או מערכת הלב וכלי הדם.

בדרך כלל, אנשים חדשים בשיטה זו עשויים להיאבק, מכיוון שהטרמינולוגיה והתוכנה מניחים רקע בהנדסה. כדי לדמיין את צורת מרכיבי השלד, לכמת את השריר ולזהות את המיקום המדויק של חיבורי השרירים, חיסונים את הדגים בגיל המתאים למיוזין השלד וקולגן מסוג II. ראשית, תקן זחל דגים ב-4% פרפורמלדהיד ו-PBS למשך שעה.

לאחר מכן, שטפו את הקיבוע באמצעות שתי שטיפות PBT. לאחר מכן, ייבשו את הזחל ב-50% מתנול ו-PBT למשך חמש דקות, ולאחר מכן 100% מתנול למשך חמש דקות. לאחר מכן ניתן לאחסן את הזחלים ב-100% מתנול עד הצורך.

במידת הצורך, החזירו לזחל לחות ב-50% מתנול ו-PBT למשך חמש דקות. לאחר מכן, שטפו אותו ב-PBT למשך חמש דקות. כעת, חלחל את הזחל עם 0.25% טריפסין ו-PBT על קרח למשך חמש עד שש דקות.

לאחר מכן, שטפו אותו ב-PBT למשך חמש דקות וחזרו על שטיפת ה-PBT שלוש פעמים נוספות. לפני מריחת הנוגדנים יש לחסום את הזחל למשך שעתיים-שלוש בסרום 5% ו-PBT. לאחר מכן, דגרו את הזחל בדילול המומלץ של קולגן נגד סוג II של ארנב ונוגדנים נגד מיוזין של עכבר עם 5% סרום ו-PBT.

בצע דגירה זו במשך שעה בטמפרטורת החדר, או לילה בארבע מעלות צלזיוס. לאחר מריחת הנוגדנים העיקריים, שטפו את הזחל ב-PBT בסך הכל שש פעמים למשך 15 דקות בכל שטיפה. לאחר שטיפת ה-PBT, יש למרוח סרום 5% ובלוק PBT למשך שעה או שעתיים.

כעת, יש למרוח את הנוגדנים המשניים, ומעתה והלאה לשמור על התכשיר בחושך ככל האפשר. השתמש בנוגדנים משניים נגד עכברים ואנטי ארנבים המסומנים בפלואורסצנט בסרום 5% ו-PBT. לאחר מריחת הנוגדנים המשניים, שטפו את הזחל ב-PBT שש פעמים למשך 10 דקות בכל שטיפה.

כל זחל שמוכתם כמתואר, או מבטא תגים פלואורסצנטיים, ניתן כעת לצלם באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי כדלקמן. צלם ערימת תמונות קונפוקלית של אזור העניין באמצעות עדשת האובייקטיביות פי 10 עם זום דיגיטלי של כ-2.5x. עוררו את הערוץ הירוק והאדום באמצעות לייזר 488 ננומטר ולייזר 561 ננומטר.

לאחר מכן, צלם תמונות של 512 פיקסלים מרובעים באמצעות מרווח מישור z של 1.3 מיקרון עם ממוצע של שלושה קווים. כ-100 קטעי z ימלאו את הערימה. ייצא את הנתונים כאוסף תמונות TIFF.

פתח את אוסף התמונות TIFF והצג את כל הערוצים בתוכנה המתאימה. לחץ לחיצה ימנית על ערוץ הסחוס, בחר orthoslice וצור. לאחר מכן, לחצו לחיצה ימנית על ערוץ הסחוס ובחרו Image Processing, Smoothing And Denoising, בחרו במסנן התמונה והחליפו את ההחלקה של Gaussian.

בתצוגת הפרויקט, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על התמונה המסוננת ובחר פילוח תמונה ולאחר מכן ערוך תווית חדשה. צור תווית חדשה לכל חומר, כגון סחוס ומפרק. לאחר מכן, בחרו באזור הסחוס של התמונה בעזרת הכלי מטה קסמים כשכל הפרוסות מופעלות, והשתמשו בכלי המברשת להסרת רעש מקווי המתאר.

לאחר מכן, בחר את אזור המפרק עם כלי המברשת, והקצה אותו לרכיב המפרק וחזור על הפעולה בכל המפרק. להחלקת פרוסות מרובות בבת אחת, בחרו 'סגמנטציה' מהתפריט העליון ובחרו 'החלקת תוויות'. לאחר מכן, כדי להפיק עיבוד תלת-ממדי של הרכיב, לחצו לחיצה ימנית על התמונה ובחרו Generate Surface.

כעת, לחץ על המשטח המעובד, ושמור את הנתונים כקובץ HMASCII עבור יצירת רשת software. 3D הרשת היא שלב קריטי ביצירת מודל טוב. אתה צריך להתפשר בין רשת שמייצגת את הצורה האמיתית של המבנה שאתה מנסה לדגמן, מבלי לכלול כל כך הרבה פרטים שאתה מכניס אלמנטים בעייתיים, כגון כאלה עם זווית קטנה מדי או גדולה מדי.

כדי ליצור את רשת השינוי, ייבא את הדגם התלת-ממדי לחבילת תוכנה מתאימה. כדי ליצור רשת דו-ממדית של משטחי הסחוס והמפרקים, השתמש בכלי shrinkwrap מתחת לתפריט הדו-ממדי. בחר גודל אלמנט בין 1.5 ל-2.5.

ניתן ליצור מגוון רשתות משטחים בגדלים שונים כדי לבצע אופטימיזציה של רשת תלת מימדית. על מנת להבטיח שהרשת תהיה רציפה בין משטחי המפרק והסחוס, כל האלמנטים על הגבול חייבים לחלוק צמתים משותפים. כדי להשיג זאת, הסר את המשטח הפנימי של המפרק והשאיר צינור חלול.

השתמש במקש הפונקציה F2 כדי לגשת לקיצור דרך לתפריט מחיקת אלמנטים. בחר את הרכיבים למחיקה. התאם את צמתי הגבול כך שיתאימו למשטח הסחוס.

השתמש בשילוב של מקשי הפונקציה F2, F3 ו- F6 כדי למחוק, להזיז צמתים וליצור רכיבים חדשים, בהתאמה. לבסוף, שכפל את משטח הסחוס במפרק באמצעות תפריט רכיבי ארגון האספן. השתמש במקש הפונקציה F2 כדי למחוק את כל הרכיבים שאינם משותפים.

לאחר מכן, בצע בדיקות איכות על ידי מעבר לחלונית בדוק אלמנטים. בדקו אם יש כפילויות של רכיבים, הוספות וחדירות ברשת השינוי. אם נמצא, ערוך אותם באמצעות הכרטיסיה כלים.

בדוק אם יש זוויות דיהדרליות באמצעות כרטיסיית השירות שנמצאת באפשרות עץ הדגם. ליצירת רשת שינוי תלת-ממדית מרשתות שינוי של משטחים דו-ממדיים בגדלים שונים של רכיבים, השתמשו בכלי Tetramesh השווה גדלי רשת שונים, ובחר את מודל FE עם גודל הרשת הנמוך ביותר שמתכנס לאחר סימולציות נוספות, ואינו פוגע בהגדרת התכונה.

לאחר מכן, בעזרת הכלי Distance, שנו את רשת השינוי כך שדגם הלסת יהיה בגודל של Distance. ודא שהסחוס ורכיבי המפרקים מחוברים במודל על ידי ייצוא דגם ממוזג, או על ידי שימוש בקשרים. לאחר מכן, החל עומסים, אילוצים ומאפייני חומר על מודל FE כדי לדמות את תפקוד הלסת.

השתמש בערימות הקונפוקליות המסומנות כמדריך, הגדר את השרירים. ראשית, הקצה צמתים התואמים לנקודות החיבור של השרירים. לאחר מכן, צור וקטורים בין הצמתים המייצגים את המקור וההחדרה של כל שריר.

לאחר הגדרת כל השרירים, צור אספן עומס היסטורי והחל Cload על כל שריר. ציין את הגודל בניוטונים והקצה את הווקטור המשויך. לאחר מכן, הקצה תכונות חומר איזוטרופי אלסטיות מתאימות, כפי שנקבע על ידי הספרות.

לאחר מכן, צור אספן עומס גבול והחל כמה אילוצים ראשוניים על המודל. בחר את הצמתים להגבלה, ובחר גורם דרגות חופש הדומה לטווח התנועה הטבעי של השריר המוגדר על ידי צמתים אלה. כעת, צור שלב טעינה עבור כל סוג של תנועה להדמיה.

בתפריט הניתוח, בחר את כל העומסים והאילוצים הרלוונטיים כדי לדמות את התנועה שצוינה. לאחר מכן, בחר סטטי מהתפריט הנפתח. כשהוא מוכן, ייצא את המודל בפורמט קובץ מתאים, כולל הרשת, העומסים, האילוצים ומאפייני החומר.

במקרה זה, נבחר פורמט INP. לאחר מכן, טען את המודל לתוכנת ניתוח FE. שם, צור ובצע עבודה עבור המודל, ונתח פלט עבור לחץ, מתח, תזוזה וכן הלאה.

בחרו שלושה עד שישה זחלי דג זברה מהונדסים, והרדימו קלות את הזחלים עם 0.02% MS-222 עד שהם מפסיקים להגיב למגע, אך ליבם עדיין פועם. לאחר מכן, הרכיבו את הזחלים לרוחב על החלקות כיסוי באגרוז פושר עם נקודת התכה נמוכה של 1% בתמיסה של דניו. לאחר מכן, הסר בזהירות את האגרוז סביב הראש והלסת בעזרת מלקחיים.

לאחר מכן, בעזרת פיפטה של פסטר, שטפו את התמיסה הטרייה של דניאו על ראש הזחל כדי להסיר את חומר ההרדמה. עשה זאת עד שתנועת הפה הרגילה תחזור. כעת, השתמש בתוכנת לכידת סרטים כדי לצלם סרטונים פלואורסצנטיים במהירות גבוהה של תנועות הפה.

צילום בקצב הפריימים הגבוה ביותר למשך הזמן הדרוש כדי להקליט מחזורי פתיחת לסת מרובים. מאוחר יותר, נתח את התזוזה המקסימלית של הלסת. בחר את המסגרות המציגות את הלסת פתוחה בצורה הרחבה ביותר, ומדוד את המרחק בין הקצה הקדמי של סחוס המקל ללסת העליונה.

נקודת הלסת העליונה תואמת את קצה הצלחת האתמואידית. צביעה חיסונית לשרירים וסחוס, או הדמיה של מדווחים טרנסגניים, מאפשרת לדמיין את המבנה התלת-ממדי של הלסת, יחד עם השרירים הנלווים. על ידי הדמיה ברזולוציה גבוהה, ניתן היה לבנות מודל הלוכד את הצורה התלת מימדית של הלסת.

המודל משלב עומסים שמיקומם וגודלם נגזרו מהתמונות הקונפוקליות של השריר והסחוס. ממודל זה נבדקו מגוון תכונות חומר שונות. תוך שימוש בתזוזה in vivo הנראית באמצעות לכידת וידאו במהירות גבוהה, נבחר דגם אחד המשחזר בצורה הטובה ביותר את טווח התנועה הזה.

באמצעות מאפייני החומר, העומסים ונתוני צורת הרשת המדויקים ביותר, נעשה שימוש במודל FE כדי לחקור את האומדן הטוב ביותר של הסביבה המכנית שחוותה במהלך מסגרת זמן זו. לדוגמה, נמדדו עוצמות הלחץ. ניתן להגדיל את המודל כדי לראות את הפרטים הקטנים של התבנית, ולאחר מכן להסתכל עליו בחלקים דיגיטליים כדי להתבונן בפרטים בכל הממדים.

לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לך הבנה טובה כיצד להשתמש בהדמיה קונפוקלית כדי לבנות מודל תלת מימדי מדויק מבחינה פיזיולוגית של מבנה ביולוגי שנמצא תחת עומס מכני. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור שמדובר במודל ליניארי ואלסטי, והסחוס אינו מתנהג לחלוטין כחומר ליניארי. ניתן לשלב תכונות חומר אחרות, כגון חדירות, אך עשויות לדרוש שינויים נוספים ברשת.