بررسی تجربی و تئوری مدول یانگ بافت سرطانی سینه(MCF-10) با استفاده از تیرک‌های مختلف میکروسکوپ نیروی اتمی

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 4، دوره 36، شماره 1 - شماره پیاپی 35، اردیبهشت 1403، صفحه 61-76   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2023.83806.1196

نویسندگان

معین طاهری^{* 1}؛ علی جباری²؛ زهراسادات اقدامی²؛ حامد فرجی³؛ نیما رحمانی²

¹مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک.

²مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک

³گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک ، اراک

چکیده

امروزه میکروسکوپ نیروی اتمی کاربردهای مختلفی در ساخت قطعات ریز مقیاس و بررسی خواص مکانیکی آن‌ها دارد. مطالعه خواص مکانیکی بافت‌ها می‌تواند به‌عنوان عاملی مهم برای تشخیص زودهنگام سرطان و کمک به روش‌های جدید درمان‌های در نظر گرفته شود. روش‌های مختلفی برای تشخیص بافت‌های سرطانی وجود دارد که یکی از این راه‌ها بررسی مدول یانگ بافت است. یکی از جدیدترین روش‌ها برای استخراج مدول یانگ در بافت‌های بیولوژیکی استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی است. در این مطالعه، ابتدا از میکروسکوپ نیروی اتمی به‌منظور استخراج مدول یانگ بافت سرطانی سینه MCF-10 با استفاده از سه تیرک مختلف با هندسه‌های مستطیلی، وی-شکل و خنجری استفاده‌شده است. با توجه به تصاویر به‌دست‌آمده توسط میکروسکوپ نیروی اتمی، هندسه سلول کروی در نظر گرفته شد. نمودار نیرو- عمق نفوذ با میانگین‌گیری نتایج تجربی برای هرکدام از تیرک‌ها به‌طور مجزا رسم شد. در آخر مدول یانگ بافت سرطانی سینه برای سه تیرک با هندسه‌های مستطیلی، وی-شکل و خنجری با مدل تماسی هرتز استخراج‌شده است. با مقایسه نتایج تجربی و تئوری و با تغییر محدوده مدول یانگ فرضی برای هر سه هندسه تیرک‌ها، مشاهده شد که، استفاده از تیرک وی-شکل به دلیل اعمال نیروی کم‌تر به بافت، محدوده دقیق‌تری از مدول یانگ را پیش‌بینی می‌کند. مدول یانگ بافت سرطانی با استفاده از تیرک وی-‌شکل بین 1200 تا 1250 پاسکال در نظر گرفته شد.

کلیدواژه‌ها

میکروسکوپ نیروی اتمی؛ بافت سرطانی MCF-10؛ تیرک مستطیلی؛ تیرک خنجری؛ تیرک وی-شکل

مراجع

[1]    M. Taheri and m. mirzaluo, "Theoretical and Experimental Simulation of Young Modulus Extraction of Breast MCF-10 Cells Using Atomic Force Microscope," Modares Mechanical Engineering, vol. 22, no. 1, pp. 37-45, (2021). (in Persian)

[2]    M. Taheri and M. Mirzaluo, "Experimental Extraction of Young's Modulus of MCF-7 Breast Cancer Cell Using Spherical Contact Models," Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, vol. 53, no. 12, pp. 5769-5784, (2022). (in Persian)

[3]    I. Guido, M. S. Jaeger, and C. Duschl, "Dielectrophoretic stretching of cells allows for characterization of their mechanical properties," European Biophysics Journal, vol. 40, no. 3, pp. 281-288, (2011).

[4]    M. Taheri, h. faraji, and P. Karimi, "Manipulation of breast cell tissue with the aim of calculating Young's modulus, using Tatara contact theory and atomic force microscopy," Journal Of Applied and Computational Sciences in Mechanics, pp. -, (2023). (in Persian)

[5]    Y. Wang et al., "Quantitative analysis of the cell-surface roughness and viscoelasticity for breast cancer cells discrimination using atomic force microscopy," Scanning, vol. 38, no. 6, pp. 558-563, (2016).

[6]    M. Li, L. Liu, N. Xi, and Y. Wang, "Atomic force microscopy studies on cellular elastic and viscoelastic properties," Science China Life Sciences, vol. 61, no. 1, pp. 57-67, (2018).

[7]    J. Iturri, A. Weber, A. Moreno-Cencerrado, M. D. Vivanco, R. Benítez, S. Leporatti, J. L. Toca-Herrera, "Resveratrol-induced temporal variation in the mechanical properties of MCF-7 breast cancer cells investigated by atomic force microscopy, " International journal of molecular sciences, vol. 20, no. 13, 3275, (2019).‏ https://doi.org/10.3390/ijms20133275

 [8]   M. Taheri and H. Faraji, "Extraction of force and critical time of three-dimensional manipulation of colon cancer tissue with different models of Persson friction," Journal of Solid and Fluid Mechanics, vol. 12, no. 6, pp. 113-123, 2023. (in Persian)

[9]    M. Mirzaluo, F. Fereiduni, M. Taheri, and M. Modabberifar, "Experimental extraction of Young’s modulus of MCF-7 tissue using atomic force microscopy and the spherical contact models," European Biophysics Journal, vol. 52, no. 1, pp. 81-90, 2023.

[10] J. Rother, H. Nöding, I. Mey, and A. Janshoff, "Atomic force microscopy-based microrheology reveals significant differences in the viscoelastic response between malign and benign cell lines," Open Biol, vol. 4, no. 5, p. 140046, 2014.

[11] M. Li, N. Xi, Y.-c. Wang, and L.-q. Liu, "Atomic force microscopy for revealing micro/nanoscale mechanics in tumor metastasis: from single cells to microenvironmental cues," Acta Pharmacologica Sinica, vol. 42, no. 3, pp. 323-339, 2021.

[12] A. H. Kulkarni, A. Chatterjee, P. Kondaiah, and N. Gundiah, "TGF-β induces changes in breast cancer cell deformability," Phys Biol, vol. 15, no. 6, p. 065005, 2018.

[13] M. H. Korayem, Y. H. Sooha, and Z. Rastegar, "MCF-7 cancer cell apparent properties and viscoelastic characteristics measurement using AFM," Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 40, no. 6, p. 297, 2018.

[14] M. H. Korayem, S. Shahali, and Z. Rastegar, "Experimental determination of folding factor of benign breast cancer cell (MCF10A) and its effect on contact models and 3D manipulation of biological particles," Biomech Model Mechanobiol, vol. 17, no. 3, pp. 745-761, 2018.

[15] M. Habibnejad Korayem, S. Dehghani Ghahnaviyeh, M. Ghasemi, and M. Taheri, "Effect of different geometrical parameters of atomic force microscope cantilevers in critical force and time based on manipulation with applying EFAST sensitivity analyses," Modares Mechanical Engineering, vol. 15, no. 1, pp. 310-316, 2015. (in Persian)

[16] X. Deng, F. Xiong, X. Li, B. Xiang, Z. Li, X. Wu, C. Guo, X. Li, Y. Li, G. Li, W. Xiong, and Z. Zeng, "Application of atomic force microscopy in cancer research," Journal of nanobiotechnology, vol. 16, pp. 1-15, 2018.‏ https://doi.org/10.1186/s12951-018-0428-0

 [17] J. M. Northcott, I. S. Dean, J. K. Mouw, and V. M. Weaver, "Feeling Stress: The Mechanics of Cancer Progression and Aggression," Frontiers in Cell and Developmental Biology, Review vol. 6, (2018).

[18] M. Taheri, "Investigation of New Friction Models in Two-Dimensional Manipulation of Gastric Cancer Tissue," Journal Of Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 35, no. 2, pp. 1-16, 2023. (in Persian)

[19] M. Taheri, "Investigation of different geometry of gold nanoparticles in the displacement of the second phase of three-dimensional manipulation using an AFM," Iranian Journal of Manufacturing Engineering, vol. 9, no. 8, pp. 1-11, 2022. (in Persian)

[20] M. Habibnejad Korayem and Z. Rastegar, "Development of 3D manipulation of viscoelastic biological cells by AFM based on contact models and oscillatory drag," Mechanics of Advanced Materials and Structures, vol. 28, no. 24, pp. 2572-2584, 2021.

[21] M. H. Korayem, M. Mozafari, Y. H. Sooha, and Z. Rastegar, "Development and application of rough viscoelastic contact models in the first phase of 3D manipulation for biological micro-/nanoparticles by AFM," Archive of Applied Mechanics, vol. 91, no. 9, pp. 3739-3753, 2021.

[22] M. H. Korayem and M. Zakeri, "The effect of off-end tip distance on the nanomanipulation based on rectangular and V-shape cantilevered AFMs," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 50, no. 5, pp. 579-589, 2010.

[23] J. E. Sader and C. P. Green, "In-plane deformation of cantilever plates with applications to lateral force microscopy," Review of scientific instruments, vol. 75, no. 4, pp. 878-883, 2004.

[24] Q. Li, G. Y. Lee, C. N. Ong, and C. T. Lim, "AFM indentation study of breast cancer cells," Biochemical and biophysical research communications, vol. 374, no. 4, pp. 609-613, 2008.