مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی دوبُعدی تغییر شکل سلول گلبول قرمز با خواص ویسکوالاستیک تحت اثر امواج فراصوتی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
چکیده
امروزه استفاده از امواج فراصوتی به منظور جداسازی ذرات یا سلول‌ها رو به گسترش است. یکی از عوامل تاثیرگذار در جداسازی، تغییر شکل سلول است که ناشی از امواج فراصوتی است. مشهورترین مدل‌های مورد استفاده برای تغییر شکل، دو مدل الاستیک و ویسکوالاستیک هستند. در این پژوهش سلول در محیط سیال و تحت اثر امواج فراصوتی مدل شده و تغییر شکل‌ها به دست آمده است. برای رسیدن به این منظور معادله هلمهولتز که ترکیب معادلات اختلالی امواج فراصوتی و معادله ناویر استوکس است، حل می‌شوند و فشار آکوستیک به دست می‌آید. سپس این فشار به عنوان عامل تغییر شکل بر سلول اعمال می‌شود و با کمک برهم‌کنش سیال و جامد، تغییر شکل به دست می‌آید. در این پژوهش در ابتدا تغییر شکل سلول با خواص الاستیک ارائه شده و با پژوهش‌های تجربی پیشین اعتبارسنجی صورت گرفته است. در نهایت تغییر شکل برای سلول با فرض خواص ویسکوالاستیک که تاکنون از آن برای مدل‌سازی تغییر شکل در میدان آکوستیک استفاده نشده به دست آمده و ارائه شده است. نتایج نشان دهنده این است که مدل ویسکوالاستیک برای سلول تطابق بهتری در مقایسه با مدل الاستیک با نتایج تجربی دارد. هم‌چنین تاثیر فرکانس روی نسبت منظری نیز بررسی شده است. با افزایش فرکانس از ۲ به ۸مگاهرتز، نسبت منظری ۰.۳ افزایش می‌یابد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

2D Simulation of Red Blood Cell Deformation with Viscoelastic Properties under Ultrasonic Waves

نویسندگان English

H. Aghaie
M. Saghafian
D. Saedi
Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده English

Today, the use of ultrasonic waves is expanding to the separation of particles or cells. One of the effective factors in the separating is cell deformation caused by ultrasonic waves. The most popular models used for deformation are the elastic and viscoelastic models. In this research, the cell has been modeled in a fluid environment under the influence of ultrasonic waves and deformations has been obtained. For this purpose, the Helmholtz equation that is a combine of the disturbance equations of sound waves and Navier-Stokes equation is solved and acoustic pressure is obtained. This pressure is then applied to the cell as deformation agent and the deformation is obtained using fluid-solid interactions modeling. Initially, deformation of the cell with elastic properties has been presented and validation has been conducted using comparison with the previous experimental researches. Finally, the deformation for the viscoelastic cell, which has so far not been used for deformation modeling in the acoustic field, has been obtained and presented. The results show that the viscoelastic model has the most compatibility with the experiment results. Also, the effect of frequency on the aspect ratio has been investigated. As the frequency ranges increased from 2 to 8 MHz, the aspect ratio is increased to 0.3.

کلیدواژه‌ها English

ultrasonic waves
Viscoelastic
Fluid-Structure Interaction
Kasper DL, Fauci AS, Hauser SL, Longo DL, Jameson JL, Loscalzo J. Harrison's principles of internal medicine. 19th Edition. New York: McGraw Hill Professional; 2015. [Link]
Longo D, Fauci A, Kasper D, Hauser S, Jameson J, Loscalzo J. Harrison's principle of internal medicine. 18th Edition. New York: McGraw Hill Professional; 2011. [Link]
Muller PB, Barnkob R, Jensen MJ, Bruus H. A numerical study of microparticle acoustophoresis driven by acoustic radiation forces and streaming-induced drag forces. Lab on a Chip. 2012;12(22):4617-4627. [Link] [DOI:10.1039/c2lc40612h]
King LV. On the acoustic radiation pressure on spheres. Proceedings of the Royal Society A. 1934;147(861):212-240. [Link] [DOI:10.1098/rspa.1934.0215]
Yosioka K, Kawasima Y. Acoustic radiation pressure on a compressible sphere. Acta Acustica United with Acustica. 1955;5(3):167-173. [Link]
Gor'Kov LP. On the forces acting on a small particle in an acoustical field in an ideal fluid. Soviet Physics Doklady. 1962;6:773-775. [Link]
Marston PL. Shape oscillation and static deformation of drops and bubbles driven by modulated radiation stresses-Theory. The Journal of the Acoustical Society of America. 1980;67(1):15-26. [Link] [DOI:10.1121/1.383798]
Shi T, Apfel RE. Oscillations of a deformed liquid drop in an acoustic field. Physics of Fluids. 1995;7(7):1545-1552. [Link] [DOI:10.1063/1.868541]
Mishra P, Hill M, Glynne-Jones P. Deformation of red blood cells using acoustic radiation forces. Biomicrofluidics. 2014;8(3):034109. [Link] [DOI:10.1063/1.4882777]
Wijaya FB, Mohapatra AR, Sepehrirahnama S, Lim KM. Coupled acoustic-shell model for experimental study of cell stiffness under acoustophoresis. Microfluidics and Nanofluidics. 2016;20(5):69. [Link] [DOI:10.1007/s10404-016-1734-1]
Lekka M, Fornal M, Pyka-Fościak G, Lebed K, Wizner B, Grodzicki T, Styczeń J. Erythrocyte stiffness probed using atomic force microscope. Biorheology. 2005;42(4):307-317. [Link]
Guck J, Ananthakrishnan R, Mahmood H, Moon TJ, Cunningham CC, Käs J. The optical stretcher: a novel laser tool to micromanipulate cells. Biophysical Journal. 2001;81(2):767-784. [Link] [DOI:10.1016/S0006-3495(01)75740-2]
Hertz HR. Uber die Beruhrung fester elastischer Korper und Uber die Harte. Verhandlung des Vereins zur Beforderung des GewerbefleiBes, Berlin. 2006;1882(S):449-463. [German] [Link]
Zheng S, Lin H, Liu JQ, Balic M, Datar R, Cote RJ, Tai YC. Membrane microfilter device for selective capture, electrolysis and genomic analysis of human circulating tumor cells. Journal of Chromatography A. 2007;1162(2):154-161. [Link] [DOI:10.1016/j.chroma.2007.05.064]
Rienstra SW, Hirschberg A. An introduction to acoustics. Eindhoven University of Technology. 2004;18:19. [Link]
Settnes M, Bruus H. Forces acting on a small particle in an acoustical field in a viscous fluid. Physical Review E. 2012;85(1 Pt 2):016327. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevE.85.016327]
Lim CT, Zhou EH, Quek ST. Mechanical models for living cells-a review. Journal of Biomechanics. 2006;39(2):195-216. [Link] [DOI:10.1016/j.jbiomech.2004.12.008]
Fung YC, Tong P. Computational solid mechanics. Volume 1. Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd; 2001. [Link]
López-Guerra EA, Solares SD. Modeling viscoelasticity through spring-dashpot models in intermittent-contact atomic force microscopy. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2014;5:2149-2163. [Link] [DOI:10.3762/bjnano.5.224]
Machiraju C, Phan AV, Pearsall AW, Madanagopal S. Viscoelastic studies of human subscapularis tendon: relaxation test and a Wiechert model. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2006;83(1):29-33. [Link] [DOI:10.1016/j.cmpb.2006.05.004]