Определение физико-механических свойств биоматериалов на основе данных наноиндентирования и моделей дробного порядка

Автор: Журавков Михаил Анатольевич, Романова Н.С.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 1 (71) т.20, 2016 года.

Бесплатный доступ

Изложены результаты теоретических и прикладных исследований, посвященных актуальной проблеме разработки высокоэффективных аналитико-экспериментальных методов для оценки физико-механических свойств биоматериалов и биоструктур на основе технологий наноиндентирования и атомно-силовой микроскопии. Представлен анализ реализации ряда механико-математических моделей, построенных для решения таких сложных проблем, как задача выбора/построения механико-математической модели, максимально приближенной к описанию естественного состояния рассматриваемой гетерогенной среды, задача, связанная с определением момента непосредственного контакта внедряемого индентора в объект и учет в методиках оценки физико-механических свойств биоструктур сил, проявляющихся на наномасштабном уровне (сил адгезии и др.). Предложены различные модификации упругих решений контактной механики, включая модели, построенные на основе интегродифференцирования дробного порядка. Результаты клинических испытаний содержат результаты исследования гемореологических модификаций, вызванных изменением физико-механических характеристик эритроцитов под влиянием ишемической болезни сердца, острого коронарного синдрома, и эффективности включения в комплексную терапию пациентов с острым коронарным синдромом ультрафиолетовой модификации крови и экстракорпоральной аутогемомагнитотерапии в основе технологий наноиндентирования и методологии обработки данных, полученных в данной работе.

Еще

Физико-механические свойства эритроцитов, модели вязкоупругости дробного порядка, модифицированный алгоритм крика, острый коронарный синдром

Короткий адрес: https://sciup.org/146216197

IDR: 146216197

Список литературы Определение физико-механических свойств биоматериалов на основе данных наноиндентирования и моделей дробного порядка

  • Абетковская С.О., Чижик С.А. Динамическая силовая спектроскопия «мягких» материалов//Тепло-и массоперенос: сб. науч. тр. -Минск, 2007. -С. 323-330.
  • Аптуков В.Н., Митин В.Ю., Молоштанова Н.Е., Морозов И.А. Механические характеристики карналлита, шпатовой соли и сильвинита в нанодиапазоне//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -2013. -№ 3. -С. 49-56.
  • Бараш Ю.С. Силы Ван-дер-Ваальса. -М.: Наука, 1988. -344 с.
  • Беляев А.Ю., Гилева О.С., Муравьева М.А., Свистков А.Л., Скачков А.П. Исследование механических свойств здоровой и поврежденной кариесом зубной эмали с помощью микроиндентирования//Российский журнал биомеханики. -2012. -Т. 16, № 3. -С. 57-64.
  • Галин Л.А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости -М.: Наука, 1980. -304 с.
  • Гетманенко Н.Ю., Галайченко Е.Н., Рожицкий Н.Н. Атомно-силовой микроскоп как инструмент исследования структуры поверхности эритроцитов//Восточно-Европейский журнал передовых технологий. -2009. -Т. 4, № 10. -С. 7-10.
  • Джонсон К.Л. Механика контактного взаимодействия. -М.: Мир, 1989. -510 с.
  • Дрозд Е.С., Чижик С.А., Константинова Е.Э. Атомно-силовая микроскопия структурно-механических свойств мембран эритроцитов//Российский журнал биомеханики. -1995. -Т. 13, № 4. -С. 22-30.
  • Журавков М.А. Математическое моделирование деформационных процессов в твердых деформируемых средах (на примере задач механики горных пород и массивов). -Минск: Изд-во БГУ, 2002. -456 с.
  • Журавков М.А. Фундаментальные решения теории упругости и некоторые их применения в геомеханике, механике грунтов и оснований. -Минск: Изд-во БГУ, 2008. -247 с.
  • Журавков М.А., Митьковская Н.П., Ласкина О.В., Романова Н.С., Прохоров Н.А. Об определении свойств биоматериалов на основе технологий наноиндентирования. Часть 3. Результаты клинических испытаний//Механика машин, механизмов и материалов. -2015. -№ 2. -С. 74-79.
  • Журавков М.А., Романова Н.С., Прохоров Н.А. Об определении свойств биоматериалов на основе технологий наноиндентирования. Часть 1. Модификация моделей контактной механики при моделировании процессов наноиндентирования//Механика машин, механизмов и материалов. -2015. -№ 1. -С. 15-35.
  • Журавков М.А., Романова Н.С., Прохоров Н.А. Об определении свойств биоматериалов на основе технологий наноиндентирования. Часть 2. Методики определения точки контакта в методе силовой спектроскопии//Механика машин, механизмов и материалов. -2015. -№ 1. -С. 36-48.
  • Журавков М.А., Старовойтов Э.И. Механика сплошных сред. Теория упругости и пластичности: учеб. пособие для студентов высших учебных заведений по специальности «Механика». -Минск: Изд-во БГУ, 2011 -543 с.
  • Залесская Г.А., Акулич Н.В., Марочков А.В., Ласкина О.В., Митьковская Н.П. Оптические методы коррекции кислородтранспортных характеристик крови и их биомедицинские применения//Журнал прикладной спектроскопии. -2010. -Т. 77, № 3. -С. 451-459.
  • Кучумов А.Г., Солодько В.Н., Самарцев В.А., Гаврилов В.А., Чайкина Е.С. Исследование микрорельефа и измерение механического отклика современных биополимерных шовных материалов при наноиндентировании//Изв. Сарат. ун-та. Нов. cер. Сер. Математика. Механика. Информатика. -2013. -Т. 13, № 2 (1). -С. 69-77.
  • Ласкина О.В., Залесская Г.А., Митьковская Н.П. Электрофоретическая подвижность эритроцитов у пациентов с острым коронарным синдромом в процессе проведения ультрафиолетовой модификации крови и экстракорпоральной аутогемомагнитотерапии//Антикоагулянтная терапия на современном уровне: сб. научн. ст. БГМУ. -Минск, 2010. -С. 42-46.
  • Ласкина О.В., Митьковская Н.П., Залесская Г.А., Улащик В.С. Применение ультрафиолетовой модификации крови для лечения больных с острым коронарным синдромом//Актуальные вопросы кардиологии: сб. науч. тр., посвящ. 10-летнему юбилею сотрудничества между Бел. гос. мед. ун-том, интервенционными кардиологами Университета Западного Онтарио (Канада) и кардиологами РБ, Минск, 21 мая 2010 г./под ред. С.Л. Кабака, Н.П. Митьковской. -Минск, 2010. -С. 167-175.
  • Ласкина О.В., Митьковская Н.П., Кирковский В.В., Левин В.И., Журавков М.А., Романова Н.С., Прохоров Н.А. Применение ультрафиолетовой модификации крови в комплексном лечении пациентов с острым коронарным синдромом без подъема сегмента ST//II Международная конференция Евразийской ассоциации терапевтов и научно-практическая конференция: сб. тез. -Бишкек, 2015. -С. 27-28.
  • Люсов В.А., Парфенов А.С. Гемостаз и реология крови при различных формах ишемической болезни сердца//Актуальные проблемы гемостазиологии. -М., 1979. -140 c.
  • Нагорнов Ю.С., Богомолов А.С., Аксенова Е.А., Анохина Т.В., Корнеева С.А., Зотова М.А., Наумов В.В., Смирнова Т.Г., Наседкина А.А., Сокурова А.М., Юлдашев А.В. Вычисление объема эритроцитов при анализе данных атомно-силовой микроскопии//Фундаментальные исследования. -2013. -№ 1. -С. 181-184.
  • Петроченко Е.П., Тихомирова И.А., Петроченко А.С. Влияние аспирина на реологические свойства крови пациентов с ишемической болезнью сердца //Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. -2008. -Т. 7, Вып. 1. -URL: www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-17-html/tikhomirova/tikhomirova.htm (дата обращения: 18.02.2015).
  • Попов Г.Я. Концентрация упругих напряжений возле штампов, разрезов, тонких включений и подкреплений -М.: Наука, 1982. -344 с.
  • Рвачев В.Л., Проценко B.C. Контактные задачи теории упругости для неклассических областей. -Киев: Наукова думка, 1977. -235 с.
  • Ройтман Е.В. Клиническая гемореология//Тромбоз, гемостаз и реология. -2003. -Т. 3, № 15. -С. 14-15.
  • Самко С.Г., Килбас А.А., Маричев О.И. Интегралы и производные дробного порядка и некоторые их приложения. -Минск: Наука и техника, 1987. -688 с.
  • Суслов А.А., Чижик С.А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор)//Материалы, технологии, инструменты. -1997. -Т. 2. -С. 78-89.
  • Ужегова Н.И., Свистков А.Л., Гаришин О.К. Теоретическое моделирование взаимодействия индентора атомно-силового микроскопа с жидкой нанопленкой на поверхности образца//Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -2013. -Т. 15, № 6 (2). -С. 512-516.
  • Alonso J.L., Goldmann W.H. Feeling the forces: atomic force microscopy in cell biology//Life Science. -2003. -Vol. 72, № 23. -P. 2553-2560.
  • Argatov I.I. Depth-sensing indentation of a transversely elastic layer: second-order asymptotic models for canonical indenters//Int. Journal of Solids and Structures. -2011. -Vol. 48. -P. 3444-3452.
  • Argatov I.I., Sabina F.J. Asymptotic analysis of the substrate effect for an arbitrary indenter//The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics.-2010. -Vol. 66, № 1. -P. 75-95.
  • Bae W.C., Temple M.M., Amiel D., Coutts R.D., Niederauer G.G., Sah R.L. Indentation testing of human cartilage: sensitivity to articular surface degeneration//Arthritis Rheum. -2003. -Vol. 48. -P. 3382-3394.
  • Benoit M. Cell adhesion measured by force spectroscopy on living cells//Methods Cell Biol. -2002. -Vol. 68. -P. 91-114.
  • Benoit M., Gaub H.E. Measuring cell adhesion forces with the atomic force microscope at the molecular level//Cells Tissues Organs. -2002. -Vol. 172, № 3. -P. 174-189.
  • Broom N.D., Flachsmann R. Physical indicators of cartilage health: the relevance of compliance, thickness, swelling and fibrillar texture//Journal of Anatomy. -2003. -Vol. 202, № 6. -P. 481-494.
  • Butt H., Cappella B., Kappl M. Force measurements with the atomic force microscope: technique, interpretation and applications//Surface Science Reports. -2005. -Vol. 59, № 1-6. -P. 1-152.
  • Buzio R., Valbusa U. Probing the role of nanoroughness in contact mechanics by atomic force microscopy//Advances in Science and Technology. -2006. -Vol. 51. -P. 90-98.
  • Canetta E., Duperray A., Leyrat A., Verdier C. Measuring cell viscoelastic properties using a force-spectrometer: Influence of protein cytoplasm interactions//Biorheology. -2005. -Vol. 42, № 5. -P. 321-333.
  • Cartagena A., Raman A. Local viscoelastic properties of live cells investigated using dynamic and quasi-static atomic force microscopy methods//Biophysical Journal. -2014. -Vol. 106, № 5. -P. 1033-1043.
  • Chandramohanadas R., Yong Keun Park, Lui L., Li A., Quinn D., Liew K., Diez-Silva M., Yongjin Sung, Ming Dao, Chwee Teck Lim, Preiser P.R., Suresh S. Biophysics of malarial parasite exit from infected erythrocytes//PloS One. -2011. -Vol. 6, № 6. -P. e20869 DOI: 10.1371/journal.pone.0020869
  • Costa L., Rodrigues M.S., Benseny-Cases N., Mayeux V., Chevrier J., Comin F. Spectroscopic investigation of local mechanical impedance of living cells//PLoS One. -2014. -Vol. 9, № 7. -P. e101687 DOI: 10.1371/journal.pone.0101687
  • Craiem D., Rojo F.J., Atienza J.M., Armentano R.L., Guienea G.V. Fractional-order viscoelasticity applied to describe uniaxial stress relaxation of human arteries//Physics in Medicine and Biology. -2008. -Vol. 53. -P. 4543-4554.
  • Crick S.L., Yin F.C.P. Assessing micromechanical properties of cells with atomic force microscopy: importance of the contact point//Biomech. Model. Mechanobiol. -2007. -Vol. 6 -P. 199-210.
  • Cross S.E., Gimzewski J.K., Jin Y.S., Rao J.Y. Nanomechanical analysis of cells from cancer patients//Nature Nanotechnology. -2007. -Vol. 2, № 12. -P. 780-783.
  • De Lazzer A., Dreyer M., Rath H.J. Particle-surface capillary forces//Langmuir. -1999. -Vol. 15, № 13. -P. 4551-4559.
  • Dimitriadis E.K., Horkay F., Maresca J., Kachar B., Chadwick R. S. Determination of elastic moduli of thin layers of soft material using the atomic force microscope//Biophysical Journal. -2002. -Vol. 82, № 5. -P. 2798-2810.
  • Elson E.L. Cellular mechanics as an indicator of cytoskeletal structure and function//Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry. -1988. -Vol. 17, № 1. -P. 397-430.
  • Evans J., Gratzer W., Mohandas N., Parker K., Sleep J. Fluctuations of the red blood cell membrane: relation to mechanical properties and lack of ATP dependence//Biophys. Journal. -2008. -Vol. 94, № 10. -P. 4134-4144.
  • Cellular and biomolecular mechanics and mechanobiology//Studies in Mechanobiology, Tissue Engineering and Biomaterials/ed. by A. Gefen. -Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. -Vol. 4. -P. 56.
  • Giessibl F.J. Advances in atomic force microscopy//Reviews of Modern Physics. -2003. -Vol. 75, № 3. -P. 940-949.
  • Haugstad G. Atomic force microscopy: understanding basic modes and advanced applications. -Hoboken: Wiley, 2012. -520 p.
  • Heim L.O., Kappl M., Butt H.J. Tilt of atomic force microscope cantilevers: effect on spring constant and adhesion measurements//Langmuir. -2004. -Vol. 20, № 7. -P. 2760-2764.
  • Iyer S., Gaikwad R., Subba-Rao V., Woodworth C., Sokolov I. Atomic force microscopy detects differences in the surface brush of normal and cancerous cells//Nature Nanotechnology. -2009. -Vol. 4. -P. 389-393.
  • Jang J., Schatz G.C., Ratner M.A. Capillary force in atomic force microscopy//The Journal of Chemical Physics. -2004. -Vol. 120, № 3. -P. 1157-1160.
  • Kasas S., Ikai A. A method for anchoring round shaped cells for atomic force microscope imaging//Biophysical Journal. -1995. -Vol. 68. -P. 1678-1680.
  • Kataoka N., Iwaki K., Hashimoto K. Measurements of endothelial cell-to-cell and cell-to-substrate gaps and micromechanical properties of endothelial cells during monocyte adhesion//Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. -2002. -Vol. 99, № 24. -P. 15638-15643.
  • Kirmizis D., Logothetidis S. Atomic force microscopy probing in the measurement of cell mechanics//International Journal of Nanomedicine. -2010. -Vol. 5. -P. 137-145.
  • Lekka M., Laidler P., Gil D., Lekki J., Stachura Z., Hrynkiewicz A.Z. Elasticity of normal and cancerous human bladder cells studied by scanning force microscopy//Eur. Biophys. -1999. -Vol. 28. -P. 312-316.
  • Luque T., Melo E., Garreta E., Cortiella J., Nichols J., Farré R., Navajas D. Local micromechanical properties of decellularized lung scaffolds measured with atomic force microscopy//Acta Biomaterialia. -2013. -Vol. 9, № 6. -P. 6852-6859.
  • Martinez-Martin D., Herruzo E.T., Dietz C., Gomez-Herrero J., Garcia R. Noninvasive protein structural exibility mapping by bimodal dynamic force microscopy//Phys. Rev. Lett. -2011. -Vol. 106. -P. 198101.
  • Meral F.C., Royston T.J., Richard L. Magin surface response of a fractional order viscoelastic halfspace to surface and subsurface sources//J. Acoust. Soc. Am. -2009. -Vol. 126, № 6. -P. 3278-3285.
  • Nalwa H.S. A special issue on reviews in nanomedicine, drug delivery and vaccine development//Journal of Biomedical Nanotechnology. -2014. -Vol. 10, № 9. -P. 1635-1640.
  • Pelling A.E., Sehati S., Gralla E.B., Valentine J.S., Gimzewski J.K. Local nanomechanical motion of the cell wall of Saccharomyces cerevisiae//Science. -2004. -Vol. 305. -P. 1147-1150.
  • Plodinec M., Loparic M., Monnier C.A., Obermann E.C., Zanetti-Dallenbach R., Oertle P., Hyotyla J.T., Aebi U., Bentires-Alj M., Lim R.Y., Schoenenberger C.A. The nanomechanical signature of breast cancer//Nat. Nano. -2012. -Vol. 7. -P. 757-765.
  • Rabinovich Y.I., Adler J.J., Esayanur M.S., Ata A., Singh R.K., Moudgil B.M. Capillary forces between surfaces with nanoscale roughness//Advances in Colloid and Interface Science. -2002. -Vol. 96, № 1. -P. 213-230.
  • Radmacher M., Tillmann R., Gaub H. Imaging viscoelasticity by force modulation with the atomic force microscope//Biophysical Journal. -1993. -Vol. 64. -P. 735-742.
  • Raman A., Trigueros S., Cartagena A., Stevenson A., Susilo M. Mapping nanomechanical properties of live cells using multi-harmonic atomic force microscopy//Nature Nanotechnology. -2011. -Vol. 6. -P. 809-814.
  • Royston T.J., Mansy H.A., Sandler R.H. Excitation and propagation of surface waves on a viscoelastic half-space with application to medical diagnosis//J. Acoust. Soc. Am. -1999. -Vol. 106. -P. 3678-3686.
  • Royston T.J., Yazicioglu Y., Loth F. Surface response of a viscoelastic medium to subsurface acoustic sources with application to medical diagnosis//J. Acoust. Soc. Am. -2003. -Vol. 113. -P. 1109-1121.
  • Schinagl R.M., Gurskis D., Chen A.C. Depth-dependent confined compression modulus of full-thickness bovine articular cartilage//J. Orthop. Res. -1997. -Vol. 15. -P. 499-506.
  • Sedin D.L., Rowlen K.L. Adhesion forces measured by atomic force microscopy in humid air//Analytical Chemistry. -2000. -Vol. 72, № 10. -P. 2183-2189.
  • Sinkus R., Siegmann K., Xdeas T., Tanter M., Claussen C., Fink M. MR Elastography of breast lesions: Understanding the solid/liquid duality can improve the specificity of contrast-enhanced MR mammography//Magn. Reson. Med. -2007. -Vol. 58. -P. 1135-1144.
  • Sneddon I.N. Fourier Transforms. -New York: McGraw-Hill, 1951. -650 p.
  • Sneddon I.N. The relation between load and penetration in the axis symmetric Boussinesq problem for a punch of arbitrary profile//Int. J. Engng. Sci. -1965. -Vol. 3. -P. 47-57.
  • Sokolov I. Atomic force microscopy in cancer cell research//Cancer Nanotechnology. -2007. -Vol. 1. -P. 1-17.
  • Sokolov I., Dokukin M. Mechanics of biological cells studied with atomic force microscopy//Microscopy and Microanalysis. -2014. -Vol. 20, № 3. -P. 2076-2077.
  • Stifter T., Marti O., Bhushan B. Theoretical investigation of the distance dependence of capillary and van der Waals forces in scanning force microscopy//Phys. Rev. B. -2000. -Vol. 62. -P. 13667-13673.
  • Suresh S., Spatz J., Mills J.P., Micoulet A., Dao M., Lim C.T., Beil M., Seufferlein T. Connections between single-cell biomechanics and human disease states: gastrointestinal cancer and malaria//Acta Biomater. -2005. -Vol. 1, № 1. -P. 15-30.
  • Atomic force microscopy in nanobiology/ed. by K. Takeyasu. -Singapore: Pan Stanford Publishing, 2014. -437 p.
  • Tranchida D., Piccarolo S. Local mechanical properties by atomic force microscopy nanoindentations//Applied Scannin. Probe Methods XI. Part of the series Nanoscience and Technology. -Berlin-Heidelberg: Springer, 2009. -P. 165-198.
  • World Health Statistics. -Geneva (CH): World Health Organization, 2013. -172 p.
  • Zhu C., Bao G., Wang N. Cell mechanics: mechanical response, cell adhesion, and molecular deformation//Annual Review of Biomedical Engineering. -2000. -Vol. 2, № 1. -P. 189-226.
  • Zhuravkov M., Drozd L., Romanova N., Krupoderov A. Mechanical-mathematical modelling of biological tissue behaviour//Analytic Methods in Inter disciplinary Applications. Springer Proccedings in Mathematics & Statistics. -2015. -Vol. 116. -P. 153-181.
  • Zhuravkov M., Romanova N. Fractional viscoelastic models in biomechanics//The First work shop on fractional calculus and its applications, Al-Ain, UnitedArabEmirates, 25-26 April, 2013.
  • Zhuravkov M.A., Romanova N.S. Review of methods and approaches for mechanical problem solutions based on fractional calculus//Mathematics and Mechanics of Solids. -2014. -Vol. 3. -P. 1-26 DOI: 10.1177/1081286514532934
Еще
Статья научная