Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 870
Статья научная
Одной из мировых тенденций программы «Индустрия 4.0» является внедрение в производственные процессы экзоскелетных технологий. Производители промышленных экзоскелетов, предназначенных для снижения негативного воздействия тяжести трудового процесса на опорно-двигательный аппарат человека, с помощью различных инжерных решений обеспечивают перераспределение внешней нагрузки на тело человека. В то же время единая методика оценки эксплуатационной безопасности экзоскелетных изделий на данный момент отсутствует. Немаловажным биомеханическим фактором, обусловливающим безопасность использования промышленных экзоскелетов как перспективных средств индивидуальной защиты опорно-двигательного аппарата, является возможность осуществления рабочей деятельности без существенных ограничений на объем движений. В связи с этим актуальной задачей является разработка методики объективной количественной оценки влияния конструктивных и массогабаритных характеристик промышленных экзоскелетов на биомеханику движений человека. Представлены результаты измерений амплитуд движений в крупных суставах и сочленениях позвоночника при выполнении тестов на сгибание-разгибание, отведение-приведение и латерофлексию. Тестирование добровольцев проводилось на клинической базе Научно-исследовательского института медицины труда. Тестовые задания выполнялись как без использования промышленных экзоскелетов (I группа), так и с их применением (II группа). Исследовалось влияние на биомеханические параметры движений добровольцев конструктивных характеристик промышленного экзоскелета Exochair и двух различных моделей промышленного экзоскелета ExoAtlant . Измерение параметров движений сегментов тела человека осуществлялось при помощи инерциальных измерительных датчиков программно-аппаратного комплекса «Биомеханика Траст-М». Определены количественные показатели, свидетельствующие об ограничениях движений, обусловленных эксплуатацией различных моделей промышленных экзоскелетов. Так, использование экзоскелета Exochair при глубоком приседании ограничивает сгибание в тазобедренном суставе на 67,1 %, в коленном суставе на 56,1 %, в пояснично-грудном отделе позвоночника на 61,9 % и практически не влияет на сгибание в плечевом суставе. Первая модель экзоскелета ExoAtlant ограничивает амплитуду движений в тазобедренном суставе на 41,2 % при сгибании и на 74,5 % при отведении. В то же время вторая модель ограничивает отведение в плечевом суставе на 20,5 %, а в пояснично-грудном отделе позвоночника ограничивает сгибание вперед на 17,3 %, разгибание назад на 50,6 %, наклон вправо на 46,4 %, наклон влево на 40,3 %.
Бесплатно
Статья научная
Основным методом диагностики аномалий развития головного мозга плода на данный момент является ультразвуковая (УЗ) диагностика, при этом магнитно-резонансная (МР) диагностика используется в качестве дополнительного инструмента для верификации, выявленной патологий развития. Все аномалии развития так или иначе связаны с нарушением взаимоотношений мозговых структур, поэтому исследование закономерностей их внутри-утробного развития в норме – важная и нетривиальная научная задача, имеющая большое значение в клинической практике пренатальной диагностики. Кроме того, границы норм геометрических характеристик структур мозга плода все еще размыты и требуют уточнения. В настоящей работе рассмотрена выборка из 105 плодов второго и третьего тримест-ров развития без патологии головного мозга. В ходе анализа МРТ-изображений плодов исследовались линейные размеры различных мозговых структур: полушарий, мозолистого тела и мозжечка. Для минимизации ошибки измерения использовались данные, полученные от двух специалистов-радиологов, проводивших измерения указанных структур. Коэффициенты корреляции были рассчитаны для всех пар линейных измерений. Также был применен метод линейной регрессии для оценки взаимосвязи размеров структур мозга. На основе информационного критерия Акаике проводилось сравнение линейной и полиномиальной регрессии для анализа составленных статистических моделей. Показано, что взаимосвязь между увеличением отдельных размеров: лобно-затылочный и бипариетальный диаметры головного мозга, длина мозолистого тела, поперечный диаметр мозжечка, высота червя – различается в зависимости от срока гестации. Было доказано преимущество линейной модели зависимости роста структур головного мозга для каждого из рассматриваемых размеров по триместрам, по сравнению со степенной регрессией. Полученные в исследовании модели роста для линейных величин и каждого триместра позволят более точно определять, соответствует ли каждый конкретный случай внутриутробного развития мозга норме, используя новые знания о закономерностях взаимоотношений нескольких индивидуальных линейных измерений.
Бесплатно
Исследование влияния вращения тела на усилие руки при толкании ядра
Статья научная
Цель данного исследования - изучение механики составного движения, включающего вращение тела и толкание ядра рукой, а также поиск возможности максимально увеличить скорость ядра во время выполнения толчка. Было получено соответствующее уравнение движения, решение которого совпало с экпериментальной кривой скорости. Авторами было численно установлено влияние скорости вращения тела на дальность полета ядра и получена оптимальная скорость вращения тела. В результате оказалось, что действенный метод увеличить эффективность толчка рукой заключается в закручивании трактории ядра влево в начале выполнения упражнения. Скорость вращения тела при традиционной скользящей технике сравнима со скоростью при вращательной технике. Было отмечено, что скорость вращения тела в первом случае составляет 13,8 рад/с до толчка рукой и снижается до 10,8 рад/с во время толчка рукой. Поэтому существенным моментом кажется то, что мышцы тела работают так, что скорость вращения туловища не снижается во время толчка рукой.
Бесплатно
Исследование влияния кератоконуса на результаты тонометрии по методу Маклакова
Статья научная
Построены четыре модели: модель роговицы, модель корнеосклеральной оболочки, модель корнеосклеральной оболочки с учетом теноновой капсулы глаза и модель глаза с учетом соединительнотканых образований глазницы. Для всех моделей проведены исследования влияния кератоконуса на измерение внутриглазного давления по методу Маклакова. При кератоконусе у роговицы изменяется радиус кривизны и толщина центральной зоны. В конечном итоге она истончается и принимает конусовидную форму. Геометрические построения моделей проведены в программе SolidWorks, вычисления напряженно-деформированного состояния – в конечно-элементном пакете прикладных программ CosmosWorks. Для каждой модели проведена оценка числа конечных элементов в рамках введенной допустимой погрешности. Исследовано влияние трех стадий развития кератоконуса на результаты измерения тонометрического внутриглазного давления по методу Маклакова. По результатам исследования для всех моделей построенны зависимости разницы между значением тонометрического внутриглазного давления, определенного по методу Маклакова в соответствии с линейкой Поляка, и тонометрического внутриглазного давления, рассчитанного по модели, от диаметра кружка сплющивания. В рамках данной работы проведено исследование влияния только кривизны и только толщины роговицы на величину тонометрического внутриглазного давления. С увеличением стадии развития кератоконуса корнеосклеральная оболочка глаза становится более податливой. Максимальные расхождения между тонометрическим внутриглазным давлением, определенным по методу Маклакова в соответствии с линейкой Поляка, и рассчитанным тонометрическим внутриглазным давлением возникают в нормальной роговице при максимальных значениях внутриглазного давления. С увеличением стадии развития кератоконуса расхождение рассчитанного тонометрического внутриглазного давления и тонометрического внутриглазного давления, определенного по методу Маклакова, уменьшается.
Бесплатно
Статья научная
В работе исследовано пространственное линейно-упругое напряженно- деформированное состояние тазовой кости с имплантированным ацетабулярным компонентом эндопротеза тазобедренного сустава. Биомеханическая модель системы кость - эндопротез учитывает неоднородность упругих характеристик данной конструкции. На границе между костью и металлической чашкой эндопротеза предполагается выполнение условия идеального контакта, которое реализуется за счет биофиксации имплантата. Проведен анализ влияния пространственной ориентации чашки эндопротеза на распределение напряжений в тазовой кости при функциональных нагрузках на тазобедренный сустав.
Бесплатно
Статья научная
В специальной литературе достаточно мало данных по биомеханике зубочелюстной области. Ортодонты сталкиваются с затруднениями в управлении формированием прикуса в процессе деформации челюстей в связи со структурными особенностями их строения; также трудно поддается контролю со стороны врача изменение соотношения челюстей и прикуса в трех направлениях в процессе ортодонтического лечения, так как повышение прикуса на фоне ротации челюстей может негативно сказаться на эстетике лица. В данной работе представлена биомеханическая постановка задачи начальной стадии движения зуба (в рамках костной ткани) под действием ортодонтической нагрузки. Представлены непосредственные результаты лечения дистальной окклюзии зубных рядов с применением несъемной ортодонтической техники у 53 пациентов в возрасте 11-20,5 лет, изменения челюстных, костных и мягкотканевых параметров с целью выявления негативных последствий удаления комплектных зубов на эстетику лица. Установлено, что зубные дуги, апикальные базисы и челюсти в младшем и старшем возрасте в процессе ортодонтического лечения изменяют форму по принципу деформации упругого тела: расширяются зубные дуги в области премоляров и апикальные базисы, укорачиваются их фронтальные отделы, больше у пациентов после удаления зубов. У растущих пациентов увеличивается длина основания нижней челюсти. Уменьшается длина основания верхней челюсти, размеры углов выдвижения верхней и нижней челюстей, особенно после удаления зубов. Фронтальный отдел верхней челюсти смещается кзади. Создаются условия для снижения высоты прикуса у пациентов без удаления зубов и к повышению прикуса у пациентов после удаления двух верхних премоляров. После удаления зубов проявляется тенденция к обострению черт лица вследствие увеличения носогубного угла и угла выпуклости носа. Внешние изменения почти не заметны на фоне устранения основного симптома. Кроме того, количественные изменения углов происходят в пределах физиологического диапазона. Тенденция к повышению прикуса с удалением зубов позитивно отражается на эстетике лица: свободно смыкаются губы, вследствие увеличения подбородочно-губного и межгубного углов, становится менее глубокой надподбородочная борозда, однако одновременно ротирует нижняя челюсть по часовой стрелке, подбородок смещается кзади. При сравнении после лечения с удалением зубов более выраженные изменения наступили в челюстных параметрах: все размеры верхней челюсти статистически достоверно меньше. Подавляющее большинство костных и мягкотканевых параметров к концу лечения стало близким по своим размерам, независимо от удаления зубов, без статистически достоверного различия. Отсутствие роста основания нижней челюсти у пациентов с постоянным прикусом является противопоказанием к удалению зубов при дистальной окклюзии, обусловленной недоразвитием нижней челюсти.
Бесплатно
Исследование воздействия диосмина на агрегацию эритроцитов
Статья научная
В рамках эксперимента исследовано воздействие диосмина на реологический статус крови при венозном застое нижних конечностей у белых крыс массой до 300 г. Экспериментальный венозный застой, который развивался у более чем половины подопытных животных, проявлялся в различной клинической форме. Исследован показатель агрегации эритроцитов как маркер текучести, который измерялся у всех испытуемых в целевой группе до и после воздействия диосмина, а также у интактных животных. Следует отметить, что у крыс, где отсутствовали клинические признаки, возрастала интенсивность агрегации. В ходе эксперимента было обнаружено, что воздействие диосмина в процентном отношении более эффективно в группе животных с венозным застоем, чем без него. Кроме этого, оказалось, что интенсивность и масштаб проявления венозного застоя коррелируют с процентным возрастанием агрегации эритроцитов.
Бесплатно
Статья научная
Одной из главных причин обратимой слепоты в мире является возрастная катаракта. Помутнение хрусталика приводит к снижению зрения и, как следствие, качества жизни пациентов. Современным хирургическим методом лечения катаракты является факоэмульсификация. В результате данной операции при помощи ультразвукового наконечника происходит дробление мутного ядра с последующей аспирацией хрусталиковых масс и имплантацией интраокулярной линзы для восстановления зрительных функций. Для оценки интенсивности процесса заживления после операции предложено отслеживать динамику разности температур оперированного и здорового глаз по данным инфракрасной термографии в различные дни наблюдения. Анализ данных, полученных при обследовании 80 глаз, показал, что предложенный параметр может служить показателем процесса заживления и интенсивности воспалительной реакции, а следовательно, метод инфракрасной термографии может быть применен для контроля течения раннего послеоперационного периода у пациентов, перенесших ультразвуковую факоэмульсификацию.
Бесплатно
Исследование жесткости аппарата Илизарова
Статья научная
Рассматривается компьютерное моделирование аппарата Илизарова, которое позволяет определить его жесткость при различных видах воздействия. Анализ модели конструкции выполняется с применением метода конечных элементов. Компьютерное моделирование при исследовании жесткости фиксирующих аппаратов дает возможность определить жесткость аппарата Илизарова без проведения стендовых испытаний, что упрощает и ускоряет процесс принятия решения о его применении.
Бесплатно
Исследование зависимости между давлением выдыхаемого воздуха и внутрибрюшным давлением человека
Статья научная
Существующие на сегодняшний день методы измерения внутрибрюшного давления являются инвазивными и, следовательно, сложными в реализации. Поэтому разработка доступных неинвазивных способов позволила бы лучше изучить явления, связанные с повышением давления в полости живота человека. В представленной работе описывается экспериментальное исследование взаимовлияния давления выдыхаемого воздуха и внутрибрюшного давления. Наличие зависимости между этими величинами основывается на предположении о том, что давление брюшных масс в положении лежа на спине одинаково воздействует на все поверхности, располагающиеся в полости живота, в частности на диафрагму и стенку мочевого пузыря. Измерение давления в мочевом пузыре считается эталонным методом определения внутрибрюшного давления. Таким образом, установление связи между внутрипузырным давлением и давлением выдыхаемого воздуха, определение которого может полностью осуществляться вне организма человека, позволит приблизиться к решению вопроса о создании неинвазивной процедуры измерения внутрибрюшного давления. Результаты эксперимента подтвердили наличие зависимости между двумя исследуемыми величинами. Показано, что для отдельно взятого человека данная зависимость близка к линейной. Тем не менее в общем случае наблюдается достаточно сильное расхождение между значениями измеряемых давлений. По всей вероятности, это связано с тем, что в процессе выдоха важную роль играют и другие факторы, такие как натяжение дыхательных мышц, механические свойства тканей легких, возможность самопроизвольного регулирования интенсивности выдоха. В связи с этим детальное исследование взаимозависимости давления выдыхаемого воздуха и внутрибрюшного давления требует проведения новых экспериментов, учитывающих влияние дополнительных параметров.
Бесплатно
Исследование индивидуального эксплуатационного ресурса эндопротеза тазобедренного сустава
Статья научная
В большинстве клинических случаев эксплуатационная долговечность эндопротеза тазобедренного сустава ограничена физиологическими изменениями в костной ткани, сопровождающимися потерей стабильности фиксации имплантата в костном ложе. Задача долговечности самой конструкции эндопротеза считается решенной, однако существующие стандарты тестирования прочности и изностостойкости имплантата гарантируют его безотказность лишь в ограниченном промежутке времени. Возможности современного диагностического оборудования позволяют определить индивидуальные физиологические нагрузки на тазобедренный сустав и обеспечить контроль за индивидуальным эксплуатационным ресурсом искусственного сустава. Для определения реальных значений параметров эксплуатационных нагрузок на искусственный сустав было проведено экспериментальное исследование параметров физической активности двух пациентов с установленным эндопротезом тазобедренного сустава. После операции пациенты прошли курс послеоперационной реабилитации, вышли на работу и эксплуатировали эндопротез в режиме естественного распорядка дня и выполнения своих профессиональных обязанностей. Проведенное исследование показало, что «гарантированный» эксплуатационный ресурс эндопротеза ограничен сроком в 2-5 лет. Предложенный алгоритм определения индивидуальных функциональных нагрузок на искусственный сустав может быть использован при выработке стратегии послеоперационного ведения больного, планирования сроков ревизионного вмешательства, а также при разработке и внедрении персонализированных протоколов доклинических испытаний имплантатов.
Бесплатно
Статья научная
В работе предложен экспериментальный метод определения упругих свойств зубной эмали и ее разрушения с помощью микроиндентирования. Предложен метод обработки экспериментальных данных, при котором исключается большой разброс, связанный с неровностью исследуемой поверхности на микроуровне и существованием пленок инородного материала на поверхности зуба. Исследован эффект зависимости механических свойств от силы внедрения индентора в образец. Проведена серия экспериментов по нахождению отличий в механических свойствах здоровой и пораженной кариесом зубной эмали. Обнаружен эффект различного времени разрушения зубной эмали под действием постоянной силы в здоровой и в кариозной областях.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлена упругопластическая модель для изучения механического неупругого поведения трабекулярной кости. Вязкоупругий отклик ткани определяется с помощью линейной вязкоупругой модели. Упругопластическая модель с законом упрочнения используется для описания отклика ткани после предела упругости. При минимизации разности между результатами модели и экспериментальными данными находятся параметры, входящие в определяющее соотношение. В качестве экспериментальных данных используются результаты испытаний на костных образцах животных. Нахождение вязких параметров проводится с использованием данных экспериментов на сжатие при ползучести и пластичности с постоянной скоростью деформации. Для нахождения параметров пластичности проводились монотонные испытания на сжатие при уровне деформаций выше предела текучести. На диаграммах показаны графики, полученные по модели, и экспериментальные данные, что может служить оценкой надежности проведенного анализа.
Бесплатно
Исследование микроформовки SS316L как материала для биомедицинских применений
Статья научная
Процесс придания плоским металлическим листам необходимой формы без каких-либо изъянов называется производством листового проката. В настоящее время в связи с популярностью миниатюризации во многих отраслях промышленности растет спрос на микроизделия и микроустройства. Метод производства, известный как микроформовка, позволяет создавать миниатюрные компоненты для различных инженерных целей. Микроформовка применяется в различных областях, включая автомобильную, биомедицинскую и аэрокосмическую технику. Если в процессе микроформовки толщина листового материала соответствует его длине, то поведение при деформировании отличается от ожидаемого для макроскопического листового материала. Способность материала к формообразованию является одним из важнейших процессов, а одним из важнейших параметров, определяющих формуемость материала, является кривая предельного формообразования или, как ее еще называют, диаграмма предельного формообразования. Целью данного исследования является построение предельной кривой формования для конкретного биоматериала с помощью численного моделирования и эксперимента. Для определения предельных кривых формования в настоящем исследовании проведен контролируемый эксперимент с тонким листом SS316L толщиной 60 мкм с различными углами относительно направлений прокатки (0°, 45°, 90°). В соответствии со стандартом ASTM-2218-14 испытание Накаджимы на микродеформацию проводится на образце с одноосной, одноосной промежуточной, плоской, двухосной промежуточной и двухосной траекториями деформации для измерения предельных деформаций. Предельная диаграмма для SS316L формируется с помощью численного программного обеспечения Simufact Forming V15 , после чего полученные результаты сравниваются с результатами испытания по методу Накаджимы. Сравнение экспериментального метода с численным моделированием показало хорошее соответствие. Было выявлено, что кривые предела формирования ( FLC ), полученные с помощью численного моделирования являются безопасными, а также на 5%-12% меньше, чем в экспериментальном методе. Для изучения физики формирования листа также проводятся микроструктурные исследования испытуемого объекта до и после формования. Микроструктурные исследования объясняют поведение материала в процессе формообразования.
Бесплатно
Статья научная
Целью статьи является анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) съемного пластиночного иммедиат-протеза с напечатанным зубным рядом из полиметилметакрилата (ПММА) и базисом из полиэтилентерефталата (ПЭТ) при многофакторных условиях нагружения на основе принципов математического моделирования. При математическом моделировании НДС использовали программное обеспечение Comsol Multiphysics 5,6 ( Comsol Inc. , США), что предоставило числовые данные для аналитической интерпретации. Рассматривали плоскую 2 D -биомеханическую модель, состоящую из напечатанного монолитного зубного ряда и связывающего слоя из ПММА, базиса из ПЭТ, слизистой оболочки протезного поля и костной ткани челюсти. Определены поля напряжений по Мизесу ( VM ) и деформаций под действием нормальной, наклонной и касательной нагрузок (до 500 Н), локализация их максимальных значений и средняя величина внутри протезной конструкции и вне её (слизистой оболочке и костной ткани). Максимальные значения VM в слизистой оболочке сопоставлены с величиной болевого порога на основе известных литературных данных по алгезиометрии слизистой оболочки рта. Выполнена оценка критической длины микротрещины (КДМ) по Гриффитсу, которая ведет к образованию магистральной трещины с последующим хрупким разрушением конструкции. Методом фазового поля вычислена вероятность трещинообразования в рассмотренной модели ортопедической конструкции под действием статической нагрузки. Показано, что поломки при использовании иммедиат-протезов с напечатанными зубами из ПММА и базисом из ПЭТ могут быть обусловлены эффектом перегрузки областей базиса и вызваны процессом деформации внутри протезной конструкции. Максимальные напряжения в элементах протеза при нормальной нагрузке составили 5,8 МПа, при тангенциальной - 79 МПа, деформации - 0,01 и 0,47 мм соответственно. Величина болевого порога слизистой оболочки рта (0,35 МПа) не достигается при нормальных усилиях (0°), однако возникает при наклонных нагрузках (45°) выше 230 Н и касательных (90°) 170 Н. Коэффициент неоднородности НДС модели съемного пластиночного иммедиат-протеза 8,6. Критическая длина микротрещины по Гриффитсу l крит = 1,9…2,7 мкм. Методом фазового поля Comsol Multiphysics установлено, что вероятность образования крупной трещины в базисе протеза составила 6·10-3; 0,35; 0,73 % для нормальной, наклонной и сдвиговой нагрузки 500 Н, что является достаточным значением для эксплуатации съемных пластиночных протезов с напечатанными зубами из ПММА и базисом из ПЭТ в течение гарантийного срока эксплуатации.
Бесплатно
Статья научная
Востребованной задачей современной стоматологии является дентальная имплантация с одномоментным временным протезированием. В работе методом конечных элементов исследовалась сложная конструкция, включающая фиксированную индивидуальную перфорированную титановую сетку с четырьмя опорамиабатментами посредством винтов на нижней челюсти и фиксированным на этих опорах мостовидным несъемным зубным протезом. Рассматривалось несколько вариантов закрепления сетки с вертикальной нагрузкой 100 Н и такой же под углом 45о с язычной стороны на окклюзионную поверхность одного, двух и нескольких зубов. Ввиду сложности геометрии всей конструкции задача была разбита на 3 этапа решения. На первом этапе решалась задача только с одной титановой сеткой (для проверки возможности использования меньшего количества винтов), на втором этапе – титановая сетка с фиксированным зубным протезом, и на третьем этапе – вся конструкция, включая винты, которыми сетка с протезом фиксируется к челюстной кости. В результате численного решения контактной задачи было определено минимальное количество винтов (для меньшего травмирования пациентов) и получено распределение перемещений и напряжений по Мизесу всех составляющих частей конструкции. Основной задачей было определение максимальных перемещений верхней поверхности сетки, которые получились незначительными во всех вариантах, что важно для предотвращения давления на помещенный внутрь сетки остеопластический материал, замещающий утраченную костную ткань. Максимальные значения напряжений в кортикальной и губчатой костях оказались значительно ниже их предела прочности, поэтому деструкции в них не возникнет как в первом, так и во втором вариантах.
Бесплатно
Исследование напряженно-деформированного состояния эндопротезированного тазобедренного сустава
Статья научная
В статье представлен обзор результатов исследований, выполненных авторами за последние пять лет по актуальной проблеме биомеханики - эндопротезированию тазобедренного сустава. Исследовано пространственное линейно-упругое напряженно-деформированное состояние тазобедренного сустава с установленным металлическим эндопротезом. Биомеханическая модель учитывает анизотропию и неоднородность упругих характеристик элементов конструкции кость- эндопротез. Определены нагрузки на тазобедренный сустав при ходьбе. Рассчитано напряженно-деформированное состояние костной ткани в наиболее нагруженные фазы шага. Проведен анализ влияния конструкции эндопротеза на распределение нагрузки в костной ткани.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются модели стоматологических имплантатов цилиндрической, конусной, цилиндрической обратно-конусной и конусной обратно-конусной формы, установленные в центральную часть верхней челюсти. Модель челюсти выполнена в соответствии с размерами трёхмерного томографического снимка челюсти пациента. Исследуется напряжённо-деформированное состояние кортикальной и губчатой костей в зависимости от формы имплантата, а также степени минерализации кости. Рассматривается изотропная модель материала кости при нормальной и критической степени минерализации, которая зависит от возраста пациента. По результатам исследования установлено, что при критической минерализации кости использование обратно-конусной формы имплантатов существенно снижает напряжения не только в губчатой, но и в кортикальной кости, а также в имплантате.
Бесплатно
Исследование нелинейных динамических режимов нативной ДНК методами математического моделирования
Статья научная
Одной из основных проблем нелинейной динамики ДНК является идентификация физических механизмов, отвечающих за механические особенности её поведения. В качестве одного из таких механизмов может выступать образование и взаимодействие открытых состояний в структуре ДНК. В работе обсуждается математическая модель нативной ДНК, позволяющая описать её термодинамические и кинетические свойства с учетом коллективного поведения ансамбля открытых состояний. Вводятся понятие микроскопического открытого состояния в ДНК и ассоциированный с ним параметр - вектор смещения азотистых оснований. Путем осреднения векторов смещений оснований по ансамблю состояний определяется термодинамическая переменная, соответствующая представительному участку ДНК. Согласно статистической модели в приближении самосогласованного поля выводится структурный параметр термализации системы. Данный параметр отражает статистическую автомодельность в поведении ансамбля открытых состояний. Устанавливаются закономерности «критичности» для различных диапазонов структурного параметра и предлагается феноменологическое представление свободной энергии в рамках подхода Гинзбурга-Ландау. Выполнено численное моделирование динамики нативной ДНК для различных диапазонов структурного параметра, позволившее установить типы автомодельных решений и соответствующие им коллективные моды открытых состояний. Показано, что последние имеют природу конечно-амплитудных флуктуаций в виде мод бризерного и автосолитонного типа, а также диссипативных структур обострения. Проведено исследование чувствительности модели к начальным условиям, в ходе которого установлено влияние нелинейности, заложенной в модель, на результаты моделирования. Обсуждаются ограничения и перспективы использования предложенного в работе подхода к математичсекому моделированию нативной ДНК.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы является исследование фазового перехода при термической денатурации ДНК методом количественного анализа рекуррентных диаграмм, являющегося наиболее современным и эффективным подходом для анализа сложных систем. Для достижения цели реализуется нелинейная динамическая модель процесса денатурации ДНК, основанная на подходе Пейрара - Бишопа - Доксуа, которая позволяет определять состояние пар оснований ДНК в произвольный момент времени. Далее проводится моделирование динамики ДНК при различных температурах, исследуется эволюция растяжения водородных связей при нагревании ДНК. Для анализа полученных результатов используется метод количественного анализа рекуррентных диаграмм, которые позволяют судить о характере протекающих в системе процессов и представляют особый интерес применительно к изучению нелинейной динамики ДНК, в частности фазовых переходов, поскольку на основе их анализа можно выявить состояния повторения и замирания (ламинарности), совершение экстремальных событий, наличие скрытой периодичности и цикличности. С помощью данного метода анализа производится расчет количественных мер в окне, сдвигаемом вдоль главной диагонали рекуррентной диаграммы. Данные меры количественно определяют мелкомасштабные структуры рекуррентной диаграммы. При расчетах выявляются наиболее чувствительные к анализу исследуемого процесса меры, с помощью которых определяются предвестники фазового перехода.
Бесплатно
