Investigation of biological flows through particle image velocimetry (PIV) combined with several imaging techniques
Parçacık görüntülemeli hız ölçümü (PIV) ve farklı görüntüleme yöntemlerinin birleştirilerek biyolojik akışların incelenmesi
- Tez No: 456334
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KEREM PEKKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Biyoloji, Makine Mühendisliği, Science and Technology, Biology, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Biyolojik akışlar, kardiyovasküler, solunum veya türlerin sinir sistemleri dahil olmak üzere biyolojik sistemlerin önemli bileşenleridir. Biyolojik akışlar damarlarda endotel hücreleriyle veya koku organında reseptör nöronlarıyla etkileşerek farklı sistemleri etkiler. Bu tezde dört farklı biyolojik akış incelenmiştir. Birincisi, tavuk embriyosunun sağ vitellin arterindeki (RVA) hemodinamiktir. İkinci araştırma, midyelerde emme ve pompalama akışlarının incelenmesidir. Üçüncü araştırma, zebra balığı embriyosundaki emme yoluyla beslenmenin incelenmesidir. Son çalışma, akış dinamiklerinin zebra balığı embriyosunun koku alma ve sinir sistemi üzerine olan etkisini araştırmaktır. İlk araştırmada hemodinamik kuvvetlerin tavuk embriyosunun gelişmekte olan kardiyovasküler sistemi üzerindeki rolünü araştırdık. Klinik deneyimler, pertürbe akışın normal vasküler büyüme sürecini konjenital kalp hastalıkları (CHD) ve CHD için fetal adaptasyon için etyoloji olarak bozduğunu düşündürmektedir. Bununla birlikte, hemodinamik, gen ifadesi ve embriyonik vasküler büyüme arasındaki ilişkiler, eşzamanlı, ardışık in vivo veri eksikliği nedeniyle zayıf olarak tanımlanabilmiştir. Bu çalışmada, tavuk embriyosunda 3 ardışık embriyonik evre için eş zamanlı kan hızı, pulsatil mikro basınç ve morfometrik veriler elde etmek için uzun süreli, zaman atlamalı optik koherens tomografi (OCT) görüntülemesi gerçekleştirildi. In-Vivo büyüme ve hemodinamik verilerle bağlantılı olarak, in vitro revers transkripsiyon polimeraz zincir reaksiyonu (RT-PCR) analizi, embriyonik arteryel duvarın histojenezi ve yeniden şekillendirilmesi ile ilgili transkript ekspresyonundaki değişiklikleri izlemek için gerçekleştirildi. Mikro yapısal veriler için invazif olmayan OCT görüntüleme tekniği ile damar büyümesi görüntülendi. OCT verileri PIV tekniğiyle birleştiğinde, birinci ve ikinci evreler arasındaki duvar kayma gerilmesinde (WSS) önemli artışlar olmakla birlikte engellendi ve daha sonra gözle görülür bir düşüş oldu. Midyelerin emme ve pompalama performansı için, deniz midyesi, Mytilus galloprovincialis'in hidrodinamik performansı, parçacık görüntülemeli hız ölçümü ile incelenmiştir. Midyelerin giriş akışı, çıkış jet akışı, emme performansı ve akış kontrol mekanizmalarını nicel olarak değerlendirdik. Midyelerin giriş akış yapıları koronal düzlemde literatürde ilk kez ölçüldü. Besinleri de taşıyan giriş akışı, midye içine üç boyutlu akış içeren konveksiyonla gönderilir. Giriş akış hızı, midye dışında hızlanmaya başlarken, midye kabuğunun içinde en yüksek değere ulaşır. Aynı zamanda basınç gradiyentini koronal düzlemde hesapladık. Giriş akışı midye kabuğu ucuna yaklaştıkça, emme kuvveti artar ve kabuk ucunda önemli hale gelir. Ayrıca, çıkış jet akış rejimleri 17 midye için incelenmiştir. Midyeler, çıkış jet akış yapısını tek potansiyel çekirdeği bölgesinden çift bölgeye değiştirebilir. Midye tarafından üretilen en yüksek çıkış jet hızı, midye boşluğu hacminin bir fonksiyonu olarak 2.77 cm/s ile 11.1 cm/s arasında değişir. Hidrodinamik enerji kaybının sajital düzlemde ölçümü, giriş akışı ile çıkış jet akışı arasında hiçbir etkileşim olmadığını ortaya koydu; bu ölçüm, midyelerin enerji tüketimi açısından verimli ve senkronize pompalama mekanizmasına sahip olduğunu gösteriyor. Bu verimli pompalama mekanizması, giriş akışı ile çıkış jet akışı arasındaki akış dönüş açısı ile ilişkilidir. Bu açı yaklaşık olarak 90o (s.d. 12o)'dir. Üçüncü araştırmada, zebra balığının emme yoluyla beslenmesinin hidrodinamiği araştırılmıştır. Emme yoluyla beslenme balık larvalarının hayatta kalması için kritik önem taşır; beslenme sırasında gıda yakalama esnasındaki başarısızlık hızla açlık ve ölüme neden olabilir. Emme yoluyla beslenmeyi araştıran akışkanlar mekaniği çalışmaları, büyük Reynolds sayılarındaki akışlarla beslenen yetişkin balıklarla sınırlıdır. Bu çalışmayla, zebra balığı larvalarının (2500 - 20000 μm toplam uzunluk) emme yoluyla beslenmesi sırasında oluşan dış akış yapıları mikroskobik parçacık görüntülemeli hız ölçümü (μPIV) kullanılarak literatürde ilk kez sunulmuştur. Maksimum emme hızı 1 mm/s ila 8 mm/s arasında değişir. Aynı zamanda ortalama basınç gradiyenti ve ağız boşluğuna yakın bölgedeki hız profili hesaplandı. Balıkların emme beslenmesindeki cevabı olmayan sorulardan biri olan, emme beslenme sırasında ağız boşluğunun şekli ve dinamiğini çalışmak için; Optik Koherens Tomografi (OCT) görüntülemenin ağız kinematiğini elde etme konusunda yararlı olduğu bulundu. Beslenme döngüsü boyunca ağız boşluğunun öngörülen alanının sırasıyla enine ve sajital düzlemler için % 162 ve % 22'ye kadar değiştiğini ortaya çıkardık. Bu bulgular hidrodinamik açıdan verimli biyomedikal ve mikro akışkan cihazlarının tasarımına ilham verebilir. Zebra balığı embriyonunun koku alma ve sinir sistemi de akışkanlar dinamiğinin bir konusudur. Hareketli tüyler ve sinir hücreleri embriyoların koku organının en üst tabakasında yer alır. Hareketli tüyler, zebra balığı embriyonunun burnunun etrafında akış oluşturur. Araştırmamızda, asimetrik olarak çalışan tüylerin burun çevresinde üç boyutlu akış oluşturduğunu gösterdik. Ayrıca, hareketli tüyler tarafından üretilen akışın durgun ortamlarda burun kokusu çektiğini gösterdik. Sonuçlarımız, akışın sinir sisteminin gerçekleştirdiği hesaplamanın hassasiyetini ve zamansal çözünürlüğünü geliştirdiğini gösterdi.
Özet (Çeviri)
Biological flows are important components of biological systems including cardiovascular, respiration or neural systems of species. Biological flows affect different systems by interacting with endothelial cells in vessels or receptor neurons in olfactory organ. In this thesis, four different biological flows are investigated. First one is hemodynamics in right vitelline artery (RVA) of chicken embryo. Second research is the investigation of suction and pumping flows at mussels. Third research is to explore suction feeding in zebrafish embryo. Last research is to investigate the effect of fluid dynamics on the olfaction of zebrafish embryo. In first research, we investigated the role of hemodynamics forces on the developing cardiovascular system of chicken embryo. Furthermore, clinical experience suggests that perturbed flow disrupts the normal vascular growth process as one etiology for congenital heart diseases (CHD) and for fetal adaptation to CHD. However, the relationships between hemodynamics, gene expression and embryonic vascular growth are poorly defined due to the lack of concurrent, sequential in vivo data. In this study, a long-term, time-lapse optical coherence tomography (OCT) imaging campaign was conducted to acquire simultaneous blood velocity, pulsatile micro-pressure and morphometric data for 3 consecutive early embryonic stages in the chick embryo. In conjunction with the in vivo growth and hemodynamics data, in vitro reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) analysis was performed to track changes in transcript expression relevant to histogenesis and remodeling of the embryonic arterial wall. Our non-invasive extended OCT imaging technique for the microstructural data showed continuous vessel growth. OCT data coupled with the PIV technique revealed significant but intermitted increases in wall shear stress (WSS) between first and second assigned stages and a noticeable decrease afterwards. For the suction and pumping performance of mussels, Hydrodynamic performance of marine mussel, Mytilus galloprovincialis, is studied with time-resolved particle image velocimetry. We evaluated inhalant flow, exhalant jet flow, suction performance, and flow control capabilities of the mussels quantitatively. Inhalant flow structures of mussels are measured at the coronal plane first time in literature. Nutrient fluid is convected into the mussel by three-dimensional sink flow. Inhalant velocity reaches its highest magnitude inside of the mussel mantle while accelerating outward the mussel. We calculated pressure gradient at the coronal plane. As inhalant flow approaches mussel shell tip, suction force generated by the inhalant flow increases and becomes significant at shell tip. Likewise, exhalant jet flow regimes are studied for 17 mussels. Mussels can control their exhalant jet flow structure from single potential core region to double one or vice versa. Peak exhalant jet velocity generated by the mussels changes between 2.77 cm/s and 11.1 cm/s as a function of mussel cavity volume. Measurements of hydrodynamic dissipation, at the sagittal plane, revealed no interaction between the inhalant and exhalant jet flow, indicating energy efficient synchronized pumping mechanism. This efficient pumping mechanism is associated with the flow-turning angle between inhalant and exhalant jet flows, ~90o (s.d. 12o). In the third research, the hydrodynamics of suction feeding is investigated. Suction feeding is critical for the survival of fish larvae; failure to capture food during the onset of autonomous feeding can rapidly lead to starvation and mortality. Fluid mechanics experiments that investigate the suction feeding of suspended particles are limited to adult fishes, which operate at large Reynolds numbers. This manuscript presents the first literature results in which the external velocity fields generated during suction feeding of early zebra fish larvae (2500 to 20000 μm total length) are reported using time-resolved microscopic particle image velocimetry (μPIV). For the larval stages studied, the maximum peak suction velocity of the inflow bolus is measured at a finite distance from the mouth tip and ranges from 1 to 8 mm/s. The average pressure gradient and the velocity profile proximal to the buccal (mouth) cavity are calculated and two distinct trends are identified. External recirculation regions and reverse flow feeding cycles are also observed and quantified. One of the unresolved questions in fish suction feeding is the shape and dynamics of the buccal (mouth) cavity during suction feeding; optical coherence tomography (OCT) imaging is found to be useful for reconstructing the mouth kinematics. The projected area of the mouth cavity during the feeding cycle varies up to 160% and 22% for the transverse and midsagittal planes, respectively. These findings can inspire novel hydrodynamicaly efficient biomedical and microfluidic devices. Olfaction system of zebrafish embryo is also subject of fluid dynamics. Neural cells and motile cilia on top of it cover olfactory organ of the embryos. Motile cilia generate flow around the nose of zebrafish embryo. In our research, we showed that spatially organized motile cilia beat asymmetrically and generated three-dimensional flow around nose. We also showed that the flow generated by motile cilia attracts odor to nose at stagnant environments. Our results showed that the flow improves the sensitivity and temporal resolution of olfactory computation.
Benzer Tezler
- Development of microfluidic systems for differential sorting of microparticles and investigation of their performances
Mikro partiküllerin ayrıştırılması için mikro akış sistemlerinin geliştirilmesi ve performanslarının incelenmesi
KAAN ERDEM
Doktora
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Elektroüretimle nanolif eldesine etki eden faktörlerin ve jelatin-pektin içeren nanoliflerin model gıdaların reolojik özelliklerine etkilerinin incelenmesi
Investigations on affecting parameters of electrospinning and rheological properties of model food systems containing electrospun gelatin-pectin nanofibers
ALPARSLAN KUMRU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FİLİZ ALTAY
- Mikrokanallarda basınç düşümü, cidar kayma gerilmesi ve partikül fokuslanmasının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of pressure drop, shear stress and particle focusing in microchannels
UFUK DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
- Katı atıkların depolanmasında karşılaşılan geoteknik problemler
Geotechnical problems encountered in disposal of wastes
AHMET KUTAY
- Mikrokanallarda kanalın kavislilik oranının ve parçacıkların konsantrasyonlarının pasif parçacık ayrıştırması üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of channel curvature ratio and particles' concentrations in curved microchannels for passive particle separation
DENİZ İNCE
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON