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.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
PDF的下载单位、IP信息已删除 (2025-6-4)

科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
保护番茄发布了新的文献求助10
1秒前
糕糕发布了新的文献求助10
1秒前
开心人达完成签到,获得积分10
1秒前
可爱的函函应助和平港湾采纳,获得10
2秒前
3秒前
3秒前
脑洞疼应助shiwo110采纳,获得10
4秒前
4秒前
领导范儿应助哈皮采纳,获得10
5秒前
lin发布了新的文献求助10
7秒前
斯文败类应助呆萌幻竹采纳,获得10
8秒前
huster发布了新的文献求助10
8秒前
难过千易发布了新的文献求助10
8秒前
英俊的铭应助春天采纳,获得10
9秒前
念心发布了新的文献求助10
9秒前
10秒前
辛勤的花瓣完成签到 ,获得积分10
12秒前
diorzhang完成签到 ,获得积分10
13秒前
ying发布了新的文献求助10
14秒前
15秒前
15秒前
15秒前
sonic完成签到,获得积分10
15秒前
15秒前
huster完成签到,获得积分10
17秒前
17秒前
Hello应助迷路的问玉采纳,获得10
17秒前
隐形曼青应助少吃一口采纳,获得10
18秒前
lhc完成签到,获得积分10
18秒前
18秒前
19秒前
19秒前
19秒前
naturehome发布了新的文献求助10
20秒前
春天发布了新的文献求助10
21秒前
halo完成签到,获得积分10
21秒前
哈皮发布了新的文献求助10
21秒前
852应助念心采纳,获得10
21秒前
22秒前
WHHW发布了新的文献求助10
23秒前
高分求助中
The Mother of All Tableaux: Order, Equivalence, and Geometry in the Large-scale Structure of Optimality Theory 3000
A new approach to the extrapolation of accelerated life test data 1000
Problems of point-blast theory 400
北师大毕业论文 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术泄漏气体检测系统的研究 390
Phylogenetic study of the order Polydesmida (Myriapoda: Diplopoda) 370
Robot-supported joining of reinforcement textiles with one-sided sewing heads 320
Novel Preparation of Chitin Nanocrystals by H2SO4 and H3PO4 Hydrolysis Followed by High-Pressure Water Jet Treatments 300
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 工程类 有机化学 生物化学 物理 内科学 纳米技术 计算机科学 化学工程 复合材料 遗传学 基因 物理化学 催化作用 冶金 细胞生物学 免疫学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 3998622
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 3538115
关于积分的说明 11273407
捐赠科研通 3277045
什么是DOI,文献DOI怎么找? 1807368
邀请新用户注册赠送积分活动 883854
科研通“疑难数据库(出版商)”最低求助积分说明 810070