|
|
Computational simulation of mechanical behaviour of living cell
Wojtek, Lukáš ; Fuis, Vladimír (referee) ; Jadrná, Lucie (advisor)
The presented thesis deals with the structure of animal cells and their mechanical response to mechanical loading. Mechanically important component in the creation of a computational model of a cell is cytoskeleton. It consists of actin filaments, intermediate filaments and microtubules. The work focuses on determining the stiffness of microtubules and its effect on the overall stiffness of cells. Due to the different properties of microtubules in tension and compression, an effective modulus of elasticity has to be found using computational modeling. The influence of the newly found modulus of elasticity on the overall mechanical response of the cells was ensured by a simulation of a mechanical test of an adherent cell under pressure. That was achieved by using a hybrid computational model of cells containing, in addition to the cytoskeleton, the continuum of cells – nucleus, cytoplasm and cytoplasmic membrane. The results of this thesis should serve as a basis for further research on the effect of cytoskeleton stiffness on the mechanical response of the cell.
|
|
|
Computational Simulation of Mechanical Tests of Isolated Animal Cells
Bansod, Yogesh Deepak ; Kučera,, Ondřej (referee) ; Florian, Zdeněk (referee) ; Canadas, Patrick (referee) ; Burša, Jiří (advisor)
Buňka tvoří složitý biologický systém vystavený mnoha mimobuněčným mechanickým podnětům. Hlubší pochopení jejího mechanického chování je důležité pro charakterizaci její odezvy v podmínkách zdraví i nemoci. Výpočtové modelování může rozšířit pochopení mechaniky buňky, která může přispívat k vytvoření vztahů mezi strukturou a funkcí různých typů buněk v různých stavech. Za tímto účelem byly pomocí metody konečných prvků (MKP) vytvořeny dva bendotensegritní modely buňky v různých stavech: model vznášející se buňky pro analýzu její globální mechanické odezvy, jako je protažení nebo stlačení, a model buňky přilnuté k podložce, který vysvětluje odezvu buňky na lokální mechanické zatížení, jako třeba vtlačování hrotu při mikroskopii atomárních sil (AFM). Oba zachovávají základní principy tensegritních struktur jako je jejich předpětí a vzájemné ovlivnění mezi komponentami, ale prvky se mohou nezávisle pohybovat. Zahrnutí nedávno navržené bendotensegritní koncepce umožňuje těmto modelům brát v úvahu jak tahové, tak i ohybové namáhání mikrotubulů (MTs) a také zahrnout vlnitost intermediálních filament (IFs). Modely předpokládají, že jednotlivé složky cytoskeletu mohou měnit svůj tvar a uspořádání, aniž by při jejich odstranění došlo ke kolapsu celé buněčné struktury, a tak umožňují hodnotit mechanický příspěvek jednotlivých složek cytoskeletu k mechanice buňky. Model vznášející se buňky napodobuje realisticky odezvu síla-deformace během protahování a stlačování buňky a obě odezvy ilustrují nelineární nárůst tuhosti s růstem mechanického zatížení. Výsledky simulací ukazují, že aktinová filamenta i mikrotubuly hrají klíčovou úlohu při určování tahové odezvy buňky, zatímco k její tlakové odezvě přispívají podstatně jen aktinová filamenta. Model buňky přilnuté k podložce dává odezvu síla-hloubka vtlačení ve dvou různých místech odpovídající nelineární odezvě zjištěné experimentálně při AFM. Výsledky simulací ukazují, že pro chování buňky je rozhodující místo vtlačení a její tuhost určují aktinová povrchová vrstva, mikrotubuly a cytoplazma. Navržené modely umožňují cenný vhled do vzájemných souvislostí mechanických vlastností buněk, do mechanické úlohy komponent cytoskeletu jak individuálně, tak i ve vzájemné synergii a do deformace jádra buňky za různých podmínek mechanického zatížení. Tudíž tato práce přispívá k lepšímu pochopení mechaniky cytoskeletu zodpovědné za chování buňky, což naopak může napomáhat ve zkoumání různých patologických podmínek jako je rakovina a cévní choroby.
|
|
|
Computational Simulation of Mechanical Behaviour of Endothelial Cells
Jakka, Veera Venkata Satya ; Gumulec, Jaromír (referee) ; Majer, Zdeněk (referee) ; Matsumoto,, Takeo (referee) ; Burša, Jiří (advisor)
Ateroskleróza je v rozvinutém světě hlavní příčinou úmrtí a finančně zatěžuje zdravotnické systémy po celém světě. Převládající hemodynamické působení spolu s lokální koncentrací mechanického napětí hrají důležitou roli v lokální povaze aterosklerózy a jejím rozvoji ve specifických oblastech lidských cév. Endotel v krevních cévách je tvořen tenkou vrstvou buněk, ležící na rozhraní mezi krevním řečištěm a cévní stěnou. Dysfunkce endoteliálních buněk se podílí na hlavních patologiích. Například ateroskleróza se rozvíjí, když jsou narušeny bariérové a protizánětlivé funkce endotelu, což umožňuje akumulaci cholesterolu a dalších materiálů v arteriální stěně. U rakoviny je klíčovým krokem v růstu nádoru jeho vaskularizace a proces migrace endoteliálních buněk. Mechanické zatížení endoteliálních buněk hraje klíčovou roli v jejich funkci a dysfunkci. Počítačové modelování může zlepšit porozumění buněčné mechanice a tím přispět k poznání vztahů mezi strukturou a funkcí různých typů buněk v různých stavech. K dosažení tohoto cíle jsou v této práci navrženy konečnoprvkové modely endoteliálních buněk, tj. model buněk plovoucích v roztoku a model buněk přilnutých k podložce, které objasňují reakci buňky na globální mechanické zatížení, jako je tah a tlak, jakož i model buňky s jeho přirozeným tvarem uvnitř endoteliální vrstvy. Zachovávají hlavní principy tensegritních struktur, jako je předpětí a spolupůsobení jednotlivých součástí, ale prvky se mohou organizovat vzájemně nezávisle. Při implementaci nedávno navržené bendo-tensegritní koncepce uvažují tyto modely namáhání mikrotubulů nejen v tahu/tlaku, ale i ohybu a také zohledňují vlnitost intermediálních filament. Modely umožňují, že jednotlivé komponenty cytoskeletu mohou změnit svůj tvar a uspořádání bez zhroucení celé buněčné struktury, dokonce i když jsou odstraněny, a umožňují nám tak vyhodnotit mechanický přínos jednotlivých cytoskeletálních složek k buněčné mechanice. Navržené modely jsou validovány porovnáním jejich křivek síla-posunutí s experimentálními výsledky. Model plovoucí buňky realisticky popisuje silově-deformační odezvu buňky při tahu a tlaku a obě reakce ilustrují nelineární zvýšení tuhosti s mechanickým zatížením. Je simulována také tlaková zkouška ploché endoteliální buňky a porovnána s testem přilnuté buňky a jeho simulací. Poté se simuluje smykový test ploché buňky, aby se vyhodnotilo její chování při smykovém zatížení vyskytujícím se v cévní stěně v důsledku proudění krve. Poté byla zkoumána mechanická odezva ploché buňky ve vrstvě endotelu za fyziologických podmínek v arteriální stěně. Později byla zkoumána buněčná odezva při odtrhování od položky během cyklických úseků pomocí 3D simulací metodou konečných prvků. Navrhované modely poskytují cenné poznatky o vzájemných souvislostech mechanických vlastností buněk, o mechanické roli jednotlivých cytoskeletálních složek i jejich synergii a o deformaci jádra za různých podmínek mechanického zatížení. Proto by práce měla přispět k lepšímu pochopení cytoskeletální mechaniky, zodpovědné za chování buněk, což může zase pomoci při zkoumání různých patologických stavů souvisejících s buněčnou mechanikou, jako je rakovina a vaskulární onemocnění.
|
|
| |
|
|
Computational Simulation of Mechanical Tests of Isolated Animal Cells
Bansod, Yogesh Deepak ; Kučera,, Ondřej (referee) ; Florian, Zdeněk (referee) ; Canadas, Patrick (referee) ; Burša, Jiří (advisor)
Buňka tvoří složitý biologický systém vystavený mnoha mimobuněčným mechanickým podnětům. Hlubší pochopení jejího mechanického chování je důležité pro charakterizaci její odezvy v podmínkách zdraví i nemoci. Výpočtové modelování může rozšířit pochopení mechaniky buňky, která může přispívat k vytvoření vztahů mezi strukturou a funkcí různých typů buněk v různých stavech. Za tímto účelem byly pomocí metody konečných prvků (MKP) vytvořeny dva bendotensegritní modely buňky v různých stavech: model vznášející se buňky pro analýzu její globální mechanické odezvy, jako je protažení nebo stlačení, a model buňky přilnuté k podložce, který vysvětluje odezvu buňky na lokální mechanické zatížení, jako třeba vtlačování hrotu při mikroskopii atomárních sil (AFM). Oba zachovávají základní principy tensegritních struktur jako je jejich předpětí a vzájemné ovlivnění mezi komponentami, ale prvky se mohou nezávisle pohybovat. Zahrnutí nedávno navržené bendotensegritní koncepce umožňuje těmto modelům brát v úvahu jak tahové, tak i ohybové namáhání mikrotubulů (MTs) a také zahrnout vlnitost intermediálních filament (IFs). Modely předpokládají, že jednotlivé složky cytoskeletu mohou měnit svůj tvar a uspořádání, aniž by při jejich odstranění došlo ke kolapsu celé buněčné struktury, a tak umožňují hodnotit mechanický příspěvek jednotlivých složek cytoskeletu k mechanice buňky. Model vznášející se buňky napodobuje realisticky odezvu síla-deformace během protahování a stlačování buňky a obě odezvy ilustrují nelineární nárůst tuhosti s růstem mechanického zatížení. Výsledky simulací ukazují, že aktinová filamenta i mikrotubuly hrají klíčovou úlohu při určování tahové odezvy buňky, zatímco k její tlakové odezvě přispívají podstatně jen aktinová filamenta. Model buňky přilnuté k podložce dává odezvu síla-hloubka vtlačení ve dvou různých místech odpovídající nelineární odezvě zjištěné experimentálně při AFM. Výsledky simulací ukazují, že pro chování buňky je rozhodující místo vtlačení a její tuhost určují aktinová povrchová vrstva, mikrotubuly a cytoplazma. Navržené modely umožňují cenný vhled do vzájemných souvislostí mechanických vlastností buněk, do mechanické úlohy komponent cytoskeletu jak individuálně, tak i ve vzájemné synergii a do deformace jádra buňky za různých podmínek mechanického zatížení. Tudíž tato práce přispívá k lepšímu pochopení mechaniky cytoskeletu zodpovědné za chování buňky, což naopak může napomáhat ve zkoumání různých patologických podmínek jako je rakovina a cévní choroby.
|
|
|
Young's Modulus on the Interface of Elastic and Elastic-Plastic Material
Kocmanová, Lenka ; Haušild, P. ; Materna, A. ; Matějíček, Jiří
The paper is aimed at determining the Young's modulus at the sharp interface between two materials, where one material is elastic and the other elastic-plastic. To determine the Young's modulus was used 3D numerical model of nanoindentation with conical indenter. The interface between the materials with the normal plane perpendicular to the direction of penetration. The goal is to simulate the combination of metal and ceramic materials.\n Young modulus according to the standardized distance from the interface are approximated inverse beta distribution and is determined by the relation between parameters inverse beta distribution of the size of the area affected by the second phase
|
|
|
Aging assessment of heterogeneous weld on the basis of instrumented indentation
Dlouhý, Ivo ; Hadraba, Hynek ; Stodola, M. ; Čupera, Pavel ; Al Khaddour, Samer
Sets of data for development of computing procedures of tensile loading curves from indentation curves have been summarised. The data obtained have been supplied also in digital form (tables) representing indentation curves for different loads by ball indentation technique and, in addition, tensile loading curves of the same microstructures obtained at room temperature. The paper focuses interest on the effect of simulated ageing on fracture behaviour of sub weld deposit regions, and, in addition, empirical analyses of indentation curves obtained from the interface between 22K low carbon steel and weld deposit.
|
|
| |
|
| |
|
|
On the modelling of compressive response of closed-cell aluminium foams under high-strain rate loading
Koudelka_ml., P. ; Zlámal, Petr ; Fíla, Tomáš
Porous metals and particularly aluminium foams are attractive materials for crash applications where constructional elements have to be able to absorb considerable amount of deformation energy while having as low weight as possible. Compressive behaviour for medium impact velocities can be experimentally assessed from a series of droptower impact tests instrumented with accelerometer and high-speed camera. However to predict such behaviour a proper modelling scheme has to be developed. In this paper droptower impact tests of Alporas aluminium foam were used for development of a material model for explicit finite element simulations of high-strain rate deformation process using LS-DYNA simulation environment. From the material models available low density foam, Fu-Chang’s foam, crushable foam and modified crushable foam models were selected for simulations using smoothed-particle hydrodynamics and solid formulations respectively. Numerical simulations were performed in order to assess constitutive parameters of these models and identify material model describing deformation behaviour of Alporas with the best accuracy.
|
guest ::
