تعیین خواص مکانیکی سلول انقباضی قلبی با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی و روابط تحلیلی

نوع مقاله : مقاله های پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

3 دانشیار، گروه خون‌شناسی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

مقدمه: سلول انقباضی قلبی با انقباض خود، حرکت پمپی قلب را ایجاد می‌کند و هر گونه مشکلی در این حرکت قلب به این سلول‌ها مرتبط است و در نتیجه، بررسی خواص این سلول از اهمیت زیادی برخوردار است. در یک دیدگاه با در نظر گرفتن سلول قلبی به عنوان یک جسم همگن با خواص الاستیک خطی، با تعیین مدول الاستیسیته‌ی (Elastic modulus) سلول، می‌توان آن را به صورت تحلیلی مدل‌سازی مکانیکی کرد. برای یافتن مدول الاستیسیته‌ی سلول با استفاده از روابط تحلیلی موجود، نیاز به داده‌های تجربی است.روش‌ها: در این مطالعه با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (Atomic force microscopy)، داده‌های تجربی مطلوب از سلول‌های قلبی موش گرفته شد. سپس با استفاده از روابط مکانیک تماس (Contact mechanics) موجود برای این روش تجربی، مدول الاستیسته‌ی سلول از دو روش به دست آمد و مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت.یافته‌ها: به وسیله‌ی دو روش موجود، مقادیر مدول الاستیسیته‌، 26/2 ± 08/48 و 56/2 ± 67/55 کیلوپاسکال به دست آمد. بررسی روند تغییرات مدول الاستیسیته با عمق فرورفتگی نشان داد که سلول خواص الاستیک غیر خطی دارد.نتیجه‌گیری: با هر دو روش ارایه شده، نتایج مشابهی برای مقدار مدول الاستیسته‌ی سلول انقباضی قلبی به دست آمد. همچنین مدل خطی Hertz برای پیش‌بینی اولیه‌ی خواص مکانیکی سلول انقباضی قلبی مناسب است و برای تعیین دقیق‌تر و جامع‌تر این خواص، بهتر است از مدل‌های غیر خطی استفاده شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Mechanical Behavior Obtaining of Cardiac Contracting Cell, Using Atomic Force Microscopy (AFM) and Analytical Relations

نویسندگان [English]

  • Anahita Ahmadi Soufivand 1
  • Mehdi Navidbakhsh 2
  • Masoud Soleimani 3
1 Department of Biomechanics, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Department of Biomechanics, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
3 Associate Professor, Department of Hematology, School of Medical Sciences, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background: Cardiac contracting cells cause heart pumping motion by its contraction and any problem in this motion is related to these cells. In one approach, considering cardiac cell as a homogenous body with linear elastic properties, it can be analytically mechanically modeled. To obtain cell elastic modulus by existing analytical relations, experimental data are needed.Methods: In this study, suitable experimental data were collected from mouse cardiac cells using atomic force microscopy (AFM). Then, by contact mechanics relations for this experimental method, elastic modulus were obtained and analyzed with two methods.Findings: Using two methods, elastic moduli were 48.08 ± 2.26 and 55.67 ± 2.56 kPa. Variations of elastic modulus by indentation depth showed nonlinear elastic properties of these cells.Conclusion: It can be concluded that via both of the presented methods, the same results for elastic modulus value for these contracting cells were obtained approximately. Also, it could be said that the linear Hertz’s model is suitable for initial prediction of the cell mechanical properties and to more exact and general evaluate of these properties, it is better to apply nonlinear models.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cardiac contracting cell
  • Atomic force microscopy (AFM)
  • Contact mechanics
  • Elastic modulus
  1. Tsamis A, Bothe W, Kvitting JP, Swanson JC, Miller DC, Kuhl E. Active contraction of cardiac muscle: in vivo characterization of mechanical activation sequences in the beating heart. J Mech Behav Biomed Mater 2011; 4(7): 1167-76.
  2. Baohua Ji, Gang Bao. Cell and molecular biomechanics: perspectives and challenges. ACTA MECH SOLIDA SIN 2011; 24(1): 27-51.
  3. Davidson L, von DM, Zhou J. Multi-scale mechanics from molecules to morphogenesis. Int J Biochem Cell Biol 2009; 41(11): 2147-62.
  4. Kuznetsova TG, Starodubtseva MN, Yegorenkov NI, Chizhik SA, Zhdanov RI. Atomic force microscopy probing of cell elasticity. Micron 2007; 38(8): 824-33.
  5. Franz CM, Puech PH. Atomic Force Microscopy: A versatile tool for studying cell morphology, adhesion and mechanics. Cell Mol Bioeng 2008; 1(4): 289-300.
  6. Webb HK, Truong VK, Hasan J, Crawford RJ, Ivanova EP. Physico-mechanical characterisation of cells using atomic force microscopy-current research and methodologies. J Microbiol Methods 2011; 86(2): 131-9.
  7. Zhou ZL, Ngan AH, Tang B, Wang AX. Reliable measurement of elastic modulus of cells by nanoindentation in an atomic force microscope. J Mech Behav Biomed Mater 2012; 8: 134-42.
  8. Li QS, Lee GY, Ong CN, Lim CT. AFM indentation study of breast cancer cells. Biochem Biophys Res Commun 2008; 374(4): 609-13.
  9. Mathur AB, Collinsworth AM, Reichert WM, Kraus WE, Truskey GA. Endothelial, cardiac muscle and skeletal muscle exhibit different viscous and elastic properties as determined by atomic force microscopy. J Biomech 2001; 34(12): 1545-53.
  10. Lieber SC, Aubry N, Pain J, Diaz G, Kim SJ, Vatner SF. Aging increases stiffness of cardiac myocytes measured by atomic force microscopy nanoindentation. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2004; 287(2): H645-H651.
  11. Rico F, Roca-Cusachs P, Gavara N, Farre R, Rotger M, Navajas D. Probing mechanical properties of living cells by atomic force microscopy with blunted pyramidal cantilever tips. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys 2005; 72(2 Pt 1): 021914.
دوره 32، شماره 290 - شماره پیاپی 290
مرداد و شهریور 1393
صفحه 947-956
  • تاریخ دریافت: 14 شهریور 1392
  • تاریخ بازنگری: 09 مهر 1402
  • تاریخ پذیرش: 17 فروردین 1401
  • تاریخ اولین انتشار: 17 فروردین 1401