Numerical investigation of force and deflection of nanoneedle penetration into cell using finite element approach: Parameter study and experimental validation of results

材料科学 有限元法 冯·米塞斯屈服准则 缩进 机械 非线性系统 模数 屈曲 刚度 偏转(物理) 弹性模量 各向同性 复合材料 结构工程 经典力学 物理 工程类 光学 量子力学
作者
Morad Rostami,M.T. Ahmadian
出处
期刊:International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering [Wiley]
卷期号:39 (9)
标识
DOI:10.1002/cnm.3749
摘要

This paper aims to develop a numerical methodology to investigate the penetration process of nanoneedles into cells and the corresponding force and indentation length. The finite element approach via the explicit dynamic method handles convergence difficulties in the nonlinear phenomenon. The cell is modeled as an isotropic elastic hemiellipsoidal shell with a thickness of 200 nm, which represents the lipid membrane and actin cortex, encapsulating cytoplasm that is regarded as an Eulerian body because of its fluid-type behavior. Nanoneedles with diameters 400, 200, and 50 nm are considered for model development based on available experimental data. The Von Mises strain failure criterion is used for rupture detection. A parameter study using 1, 2.5, 5, 7.5, and 10 kPa shows that Young's modulus of the HeLa cell membrane is about 5 kPa. Moreover, a failure strain of 1.2 chosen among 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1, and 1.2 matches best the experimental data. In addition, a diameter study shows that the relations between force-diameter and indentation length-diameter are linear and polynomial, respectively. Furthermore, regarding the experimental data and by using contour of minimum principal stress around needle and an analytical equation for calculation of buckling force of a woven fabric, we proposed that for a given cell, membrane structural stability-a function of the coupled effect of Young's modulus and actin meshwork size-contributes directly to needle insertion success rate for that type of cell.
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