مدل‌ سازي و شبيه‌سازي ديناميك سه‌ بعدي حركت نانوذرات بيولوژيكي با استفاده از نانوربات AFM

3D-Dynamic modeling and simulation of biological nanoparticle motion using AFM nano–robot

در نانومنيپوليشن با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي، جهت جابه‌جايي ميكرو/نانوذرات مختلف، محاسبه‌ي دقيق نيرو و زمان بحراني منيپوليشن به منظور عدم آسيب ديدن و جابه‌جايي دقيق ميكرو/نانوذرات هدف، امري ضروري مي‌باشد. براي رسيدن به اين هدف نياز به مدل‌سازي دقيق سينماتيك و ديناميك نانومنيپوليشن مي‌باشد كه پيش از اين به صورت دوبعدي صورت پذيرفته است. در اين مقاله به مدل‌سازي و شبيه‌سازي ديناميك سه‌بعدي نانومنيپوليشن جهت نزديك‌تر شدن هرچه بيشتر نتايج مدل‌سازي به نتايج حاصل از نانومنيپوليشن واقعي پرداخته شده است. براي اين منظور با در نظر گرفتن شكل كروي براي ميكرو/نانوذرات هدف، ابتدا روابط سينماتيك سه‌بعدي منيپوليشن استخراج شده است. سپس مدل تماسي جي‌كاآر جهت استفاده در منيپوليشن ارايه شده و معادلات سختي تيرك مستطيلي در سه بعد استخراج شده است. در آخرين مرحله از بخش مدل‌سازي، ديناميك سه‌بعدي حركت ميكرو/نانوذرات هدف استخراج شده و معادلات نيرو و زمان بحراني منيپوليشن به دست آمده است. پس از آن با شبيه‌سازي معادلات به دست آمده، مقادير نيرو و زمان بحراني منيپوليشن سه‌بعدي براي دو ذره‌ي بيولوژيكي دي‌اِن‌اِي و پلاكت محاسبه شده است. نتايج به دست آمده بيانگر شروع به حركت غلتشي ذرات مورد بررسي حول محور x قبل از غلتش حول محورهاي y و z و همچنين نيروي بحراني لازم بيشتر براي جابه‌جايي ذرات دي‌اِن‌اِي نسبت به پلاكت مي‌باشد.

In nanomanipulation the use of atomic force microscopy for the displacement of various micro/nanoparticles, calculation of accurate critical force and time of manipulation in order not to damage micro manoparticles and for precise manipulation of them is necessary. To achieve this goal accurate modeling of kinematics and dynamics of a two-dimensional nanomanipulation is required. In this paper, three-dimensional nanomanipulation modeling and simulation dynamic has been done to achieve simulation results closer to those of real nanomanipulation. For this purpose, by taking a spherical shape for micro/nanoparticle, three-dimensional kinematic relations manipulation is extracted. Then, JKR contact model for use in manipulation is provided and rectangular beam stiffness equations are derived in three dimensions. In the final stage of modeling, the dynamics of the three-dimensional micro/nanoparticles to extract force equations and critical time manipulation is obtained. Then the equations obtained by simulation, three-dimensional manipulation amount of force and critical time for both DNA and platelets biological particle are calculated. The results indicate start rolling motion of the particles studied before rolling around on the x-axis and y axis and z as well as the critical need for displacement of particles of the platelet-derived DNA.