Måling av kraftendringer i et generert fibernettverk når de forskyves med ekstern kraft: 8 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Celler er i stand til å samhandle med den omkringliggende ekstracellulære matrisen (ECM) og kan både gjelde og svare på krefter som ECM utøver. For prosjektet vårt simulerer vi et sammenkoblet nettverk av fibre som vil fungere som ECM og se hvordan nettverket endres som svar på bevegelse av et av punktene. ECM er modellert som et sammenkoblet system av fjærer som i utgangspunktet er i likevekt med en nettokraft på null. Når kraft påføres nettverket som svar på punktbevegelsen, prøver vi å få de tilkoblede punktene til å reagere på kraften på en slik måte at de prøver å gå tilbake til likevekt. Kraften overvåkes av ligningen F = k*x hvor k er fjærkonstanten og x er endringen i fiberlengde. Denne simuleringen kan bidra til å gi en generell forståelse av kraftutbredelse i fibrøse nettverk som til slutt kan brukes til å simulere mekanotransduksjon.

Trinn 1: Lag en NxN -matrise med uniforme firkanter

For å starte koden, velger vi N som bestemmer dimensjonene til nettverket vårt (NxN). Verdien av N kan endres manuelt for å endre nettverksdimensjonene etter behov. I dette eksemplet, N = 8, så vi har et 8x8 nettverk av punkter. Etter at vi har generert matrisen, kobler vi alle punktene i matrisen som har en lengde på 1 enhet ved å bruke avstandsformelen, avstand = sqrt ((x2-x1)^2+(y2-y1)^2). Ved å gjøre dette får vi et nettverk av firkanter som alle er like fordelt med 1 enhet. Dette kan sees på figur 101.

Trinn 2: Tilfeldig nettverk

I dette trinnet ønsker vi å randomisere alle punktlokasjonene bortsett fra de ytre punktene som danner grensen vår. For å gjøre dette, finner vi først alle matrikskoordinatene som er lik 0 eller N. Disse punktene er de som utgjør grensen. For de ikke -grensepunkter randomiseres stedet ved å legge til en annen tilfeldig verdi fra -5 til.5 til både x- og y -posisjonene. Det plottede randomiserte bildet kan sees på figur 1.

Trinn 3: Få nye avstander

Når vårt randomiserte nettverk er opprettet, finner vi avstanden mellom tilkoblede punkter ved å bruke avstandsformelen igjen.

Trinn 4: Velg et punkt og sammenlign avstanden fra det punktet til andre

I dette trinnet kan vi velge et interessepunkt ved å bruke markøren, som vist i figur 2. Du trenger ikke å flytte markøren nøyaktig til punktet fordi koden vil justere den til nærmeste tilkoblingspunkt. For å gjøre dette, beregner vi først avstanden mellom alle tilkoblede punkter og punktet vi nettopp valgte. Etter at alle avstandene er beregnet, velger vi punktet med den minste avstanden fra det valgte punktet for å bli det faktiske valgte punktet.

Trinn 5: Flytt til et nytt punkt

I dette trinnet, ved å bruke punktet som ble valgt i forrige trinn, flytter vi punktet til et nytt sted. Denne bevegelsen gjøres ved å velge en ny posisjon med markøren som vil erstatte den forrige posisjonen. Denne bevegelsen vil bli brukt til å simulere en utøvd kraft på grunn av endring i fjærlengden. I den helt blå figuren velges en ny plassering. I den neste figuren kan bevegelsen visualiseres med de oransje forbindelsene som er de nye stedene i motsetning til de blå forbindelsene som var de gamle stedene.

Trinn 6: Force = K*avstand

I dette trinnet bruker vi ligningskraften = k*avstand, hvor k er en konstant 10 for kollagenfibre. Fordi fibernettet starter ved likevektstilstand, er nettokraften 0. Vi lager en nullvektor lengden på matrisen vi genererte tidligere for å representere denne likevekten.

Trinn 7: Endre nettverksbevegelse på grunn av det flyttede punktet

I dette trinnet simulerer vi bevegelsen til nettverket som svar på punktbevegelsen for å gå tilbake til likevektstilstanden. Vi starter med å finne de nye avstandene mellom to punkter. Med dette kan vi finne endringen i fiberlengde ved å se på forskjellen mellom gamle og nye distanser. Vi kan også se hvilke punkter som har flyttet seg og også punktene de er koblet til ved å sammenligne de nye og gamle punktplasseringene. Dette lar oss se hvilke punkter som skal bevege seg som svar på den utøvde kraften. Bevegelsesretningen kan brytes ned i x- og y -komponentene, noe som gir en 2D -retningsvektor. Ved å bruke k -verdien, endring i avstand og retningsvektor kan vi beregne kraftvektoren som kan brukes til å flytte våre punkter mot likevekt. Vi kjører denne delen av koden 100 ganger, hver gang vi beveger oss i trinn av Force*.1. Ved å kjøre koden 100 ganger kan vi til slutt nå likevekt igjen, og ved å holde grensebetingelsene ser vi en endring i nettverket i stedet for bare et helt skift. Nettverksbevegelsen kan sees i figur 3 med den gule som de bevegelige posisjonene og den blå er de forrige.

Trinn 8: Ferdig kode

Vedlagt i denne delen er en kopi av koden vår. Du er velkommen til å endre den for å passe dine behov med modellering av forskjellige nettverk!