Gen silahlarının CFD ile modellenmesi Computational fluid dynamics

1. Mikro/Nano Akışkan Sistemler
Danışman: Doç. Dr. Hasan KÖTEN
Gen Silahlarının CFD ile Modellenmesi
Hazırlayan ve sunan: Yük. Müh. Necla YÜCEL
İstanbul Medeniyet Üniversitesi
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Nanobilim ve Nanomühendislik A.B.D.

2. İÇINDEKILER:
GEN TRANSFERI NEDIR?
GEN SILAHI/BIYOLISTIK
GEN SILAHI KULLANIMINA ÖRNEKLER
GEN SILAHI + CFD MODELLENMESI LITERATÜR TARAMASI

3. Gen Transferi

5. Gen Silahı/Biyolistik
Genlerle kaplanmış yüksek yoğunluktaki
taşıyıcı partiküller hücrelere doğru hızla
atılır ve bir adsorbsiyon mekanizmasıyla
DNA’yı hücre içine bırakırlar.
Mikropartiküllerin hücreye çarpmasıyla
beraber bazı transgenler serbest kalır ve
kromozomal DNA ile kaynaşırlar
(Sanford et al., 1993).
Şekil 2: A hand-held shock-tube based biolistic device

6. Gen Silahı

7. Uygulamalar

8. Gen aktarımında etkili faktörler
1.Partikül hızlandırmada kullanılan
2.Mikro taşıyıcının ve
3.Makro taşıyıcı ile hedef doku arasındaki
4.DNA’nın mikro taşıyıcı partiküllere yapışması için kullanılan
ve ’ün konsantrasyonu

9. Flow Analysis of Spray Nozzle with CFD

10. LİTERATÜR

11. • Aşılamada DNA alımını daha verimli hale getirmek ve gen tabancası
için yeni nozzle (tabanca ucundaki başlık) tasarımları geliştirilmiştir.
• Nozzle’ın işlevi: uygulanan akışı, hız, yön, kütle, şekil veya
basınç hızını düzenlemektedir.
• Kullanılan gaz: Nitrogen gase

12. Şekil 2: farklı basınçta oluşturulan şok dalgalarını temsil etmektedir.
Mavi en düşük; kırmızı ise en yüksek seviyeyi temsil etmektedir.
1a-5a, gazın bir konumda yığıldığı görülmektedir.
1b-5-b, Hız vektörü dik olduğu için normal bir şok dalgası oluşmuştur.
Girişteki alanda ve nozzle’ın çıkışında bir miktar fark olduğu zaman
şok dalgası meydana gelir. Şok dalgası, hızı şiddetli bir şekilde
arttıracak ve DNA partiküllerinin hedef organizmaya nüfuz etmesini
sağlayacaktır.

13. Bu çalışma da ise, mikromoleküler genetik
aşılama için yeni cihaz geliştirilmiştir. 1.8 ve 5 µm
çaplarındaki altın partiküller ve 38 µm'lik
polistiren, 20 μm'den daha yüksek penetrasyon
derinliği sağlamıştır. Yeni tasarımda hiçbir akış
ayrımı yoktur, bu nedenle gaz dağıtım basıncı %
33 azalır. L / D oranı (device length to diameter
ratio ) ve kullanılarak
parametrik çalışmalar yapılmıştır.
Kullanılan yazılım:

14. • Fig.3 Çıkış bölümünde akış ayrılmasını gösteren hız
vektörlerini temsil etmektedir.
• Akış ayrımı olmadığı görülmektedir.
• Basınç azaldıkça, cihaz duvarının/çeperinin yakınındaki
gaz hızının da arttığı görülmektedir.

15. • özellikle farelerde iletim (delivery)
uygulaması için tasarlanmış olan bir
biyolistik cihazın gaz ve mikro partikül
dinamiklerini ve darbe parametreleri
hesaplamalı olarak araştırılmış;
• Kararsız gaz akışı, parçacıklarla etkileşimi,
özellikle hedefle etkilenen gaz parçacık akışı
incelenmiştir;
• Bu çalışmanın amacı iki yönlüdür:
(1) fare mikro-biyolistik sisteminin gaz ve
parçacık dinamiklerini araştırmak;
(2) etki parametrelerini anlamayı
sağlamak.
Kullanılan gas:

16.  Gaz akışı, Reynolds ortalamalı Navier-Stokes denklemleri (RANS) tarafından yönetilmiştir.
 Çözelti için Fluent (Fluent Inc., ABD), çoklu tür gaz akışını (helyum ve hava) ve parçacıklarla etkileşimi sayısal
olarak simüle etmek için bir CFD yazılımı kullanılmıştır. Şok dalgası işleminin kararsız hareketinin ana
özelliklerini yakalamak için açık bir çözücü seçilmiştir.

17. Time=85 μs;
Time=112 μs;
(c) Time= 166 μs
Stand-off normal şok yapısı (Şekil de gösterilmiştir); gaz ve parçacık akışı hedefe yaklaştığında parçacıkları
yavaşlatır.

18. (c) 15 mm'lik bir durma mesafesine sahip olan gaz akış alanının hız çizgileri.
Modellenen altın parçacıklarının çapı 2.3 μm olarak belirtilmiştir.
 Biraz fazla genişletilmiş nozzle akışı ve ardından şok hücre yapıları, bu tür hız
dağılımlarından sorumludur.
 Reducing the stand-off distance to 2 mm— which is about the height of the
impingement (çarpma-vurma) region—prevents these free-jet structures from
forming, and thus gives a tight impact velocity distribution.

19. Bu çalışma da, prototibi oluşturulan biyolistik
sistemin karakteristiği için Hesaplamalı Akışkanlar
Dinamiği ( ) kullanılmıştır. Gaz dinamiği ve
gaz partikül etkileşiminin temel özellikleri
sunulmuştur. Biyolistik sistemin partikülleri salım
kabiliyeti genel olarak ele alınmıştır. İstatistiksel
analizler, partikül darbe hızının altın partikülleri için
745 m.s-1 elde edildiğini gösterir.
Kullanılan gaz:

20.  Biyolistik sistemin niteliği ve gerekli doğruluk göz önüne alındığında, standart k-ε türbülans modeli
kullanılmıştır.
Standart k- ε: Bazı sınırlamaları
olmasına rağmen bir çok endüstriyel
uygulamada başarılı sonuçlar veren bir
türbülans modelidir. Yüksek basınç
gradyanları, büyük akış ayrılmaları
içeren ve akım çizgisi şeklinde eğri olan
karmaşık akış yapılarında zayıf bir
türbülans modelidir.
 Protatip geçici gaz akışı ve parçacıklarla etkileşimli olarak modellenmiştir.
 Çok türlü gaz fazının çözümü, 2B eksenel simetrik Reynolds-ortalamalı
Navier-Stokes (RANS) denklemlerinin türbülans modeli ve tür(species)
taşıma denklemi ile sayısal olarak çözülmesiyle elde edilmiştir.

21. Şekil 7a'da, super-sonic core flow bölgesini, merkezi alanda oldukça yüksek bir hızda ancak nozzle duvarına doğru oldukça
düşük bir hızda olduğu görülmektedir.
Şekil 7: (a) Hesaplanan hız kontürleri (b) PIV (parçacık görüntülemeli akış-hız ölçümü) akış alanının 1.1 m/s zamanındaki
ölçülen hız haritası

22. Deneysel bir venturi (Venturi etkisi, bir borunun
daraltılmış bir bölümünden bir sıvı aktığında ortaya
çıkan sıvı basıncındaki azalmadır.) cihazını incelemek
için hesaplamalı akışkanlar dinamiği (
) kullanılmıştır.
Venturi biyolistik konfigürasyonunun mikro
partikülleri iletmek için genel özellikleri araştırılmış
ve tartışılmıştır. İstatistiksel analiz, modellenen
mikro partiküllerin, hücre içi DNA aşı verme
uygulamalarında ortalama 654 m / s hıza ulaştığını
göstermiştir.
Kullanılan gaz:
• Venturi sistemini incelemek için the standard
k–ε turbulence model was used

23. Nozzle başlangıç ​​işleminin temel akış özellikleri,
1.Örneğin şok dalgalarının oluşumu ve yayılması, sabit genleşme dalgaları ve süpersonik jetler 372 µs'lik
bir süre boyunca gösterilmiştir.
2. 680 µs Merkez bölgede yüksek bir hıza ve nozül duvarına doğru oldukça düşük bir hıza sahip olan
süpersonik bir çekirdek akış bölgesini açıkça görebiliriz. Süpersonik akış geliştikçe şok hücre yapısı
oluşmuştur.
3. After a time of 990s indicating the termination of the starting process, the solution became
essentially time independent.
4. Yarı sabit bir transonik jet akışı sağlanmıştır ve 2400 µs’e kadar korunmuştur.
Şekil 8’de, aşı kaseti ve venturi tünel bölgesinde, partikül girişine
yönelik venturi etki mekanizması nedeniyle düşük bir basınç
oluşturulmuştur.
Sonik dar geçitinin (boğaz) boyutlarının, venturi tünelinin, ilk paralel
bölümün, kasetin ve işletme basıncı koşullarının optimizasyonu,
taneciklerin yerleşik bir sabit transonik jet akışı içinde tutulmasını
sağlamıştır.

24. Bu çalışmada, iğnesiz enjeksiyonlar
tasarlamak için paralel olarak dizilmiş çok
sayıda mikron boyutunda enjeksiyon nozulu
bulunan MEMS (Mikro Elektro Mekanik
Sistemler) tabanlı cihazları kullanan farklı
özelliklere sahip bir biyolistik yöntem
açıklanmıştır. Tasarlanan cihaz, yüksek hızda
gaz jetlerine(high-speed gas jets) yavaşça
sürüklenen ve patlamaya yol açmayan bir
biyolistik dağıtım sistemi sağlayan, hassas bir
şekilde ayarlanabilen ilaç parçacıkları jetlerini
oluşturur. Cihaz tasarımı, uzamsal
çözünürlüğe sahip partikül jetleri sağlayarak,
çeşitli yoğunluklarda partiküllerin sıralı veya
eşzamanlı olarak teslim edilmesini sağlayan
ve kontrollü penetrasyon profillerini mümkün
kılan özellikler sunmakta.
Venturi, hesaplamalı akışkanlar dinamiği
simüle edilmiştir.

25. (A) MEMS cihazı, prototip test hücresinde, gaz ve taşıma yükü girişleri ile
monte edilmiştir.
(B) Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü, Venturi yapısı, terapötik
parçacıkların girişi ve paralel kanalları gösteren cihazın görüntüsü
(C) Kanal girişine basınçlı gaz verilir ve Venturi daralmasından sonra hızlanır
ve ardından kısa bir gaz basınç düşüşü tarafından oluşturulan hafif
vakum uygulanarak partikül sürüklenmesi sağlanır.
Venturi boynunun (venturi neck) farklı genişlikte
basınç profilinin CFD simülasyonu (wt = w, wt = w /
2 ve wt = w / 4 burada w kanal genişliğini temsil
etmekte) 64 × 64 µm2 kesitli, 4 mm uzunluğunda.

26. Doku yüzeyi deformasyonunun mikropartikül
çarpma koşulları üzerindeki etkisi, hesaplamalı
akışkanlar dinamiği (CFD) hesaplamaları ile
simüle edilmiştir.
Deforme edici yüzeyin göreceli hızı ve eğikliği,
gaz jetinin dış kenarında partikül çarpma
hızının normal bileşenini % 30'a kadar azaltır.
Bu nitel olarak dokuda bildirilen parçacık
penetrasyon profilleri ile tutarlıdır.
Program:

27. Şekil 6, gaz, doku yüzeyinin üzerinde meydana gelen yarı-
normal bir şoktan geçmeden önce yüksek hızlı bir jet olarak
nozuldan çıkar. Normal şok ve hedef arasındaki gaz, çarpışma
bölgesi olarak adlandırılır.
Düz plaka durumunda (şekil 6 (a)), çarpma(impingement)
bölgesi merkez çizgisinde yaklaşık 3 mm yüksekliktedir, jet
kenarının radyal konumunda yaklaşık 2 mm'ye düşmüştür.
Bununla birlikte, hareketli hedef hesaplamasında
(şekil 6 (b)), çarpma bölgesi ayak izi(footprint) boyunca ilgili
yerlerde daha uzun olduğu görülmüştür.

28. Bu çalışmada,
 bir prototip biyolistik dağıtım sisteminin çalışmasını simüle
etmek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) kullanılmıştır.
 Geçici gaz dinamiğinin ve gaz partikül etkileşiminin temel
özellikleri tartışılmıştır.
 Gaz akışı, Reynolds Ortalama Navier – Stokes (RANS)
denklemleri çözülerek analiz edilmiştir.
 Gaz ve parçacık etkileşimini araştırmak için bir sürükleme(drag)
korelasyonu kullanılmıştır.
 Hedefi etkileyen parçacıkların uzaksal hız dağılımı hesaplanmış
olup ek olarak nozül başlatma işlemine ilişkin yeni görüşler, aşırı
genişletilmiş nozül akış modeli, gaz ve partiküller arasındaki
etkileşimi incelenmiştir.

29. Şekil 7,
 354 µs'de statik basınç, hız, Mach sayısı (hareket halindeki
bir kütle hızının, kütlenin bulunduğu şartlardaki ses hızına
oranıdır) ve yoğunluk hatları görünmektedir.
 Eğik şokların (oblique shocks) yapısı ve yansımaları,
logaritmik ölçekte ifade edilen basınç hatlarında gözlenen
Şekil 7(a) ‘da, tanımlanabilir.
 Eğik şok, sınır tabakası ile etkileşime girer ve akış, nozzle
duvarından ayrılır.
 (b) ve (c) 'de gösterilen eğik şok dalgaları ve sonuçta ortaya
çıkan ayrılma, gaz akışında önemli bir düzensizliğe yol
açmaktadır.
Şok dalgaları ve Eğik şok için -
https://web.itu.edu.tr/~yukselen/UZB362/04-
%20E%F0ik%20%DEoklar%20ve%20Genisleme%20Dalgalar
%FD.pdf

30. Bu çalışmada, mikromoleküler aşı / ilaç dağıtımı için bir
cihazın parçası olan süpersonik bir ağızlıkta iki faz (katı
parçacıklar / gaz) akışı açıklanmaktadır. Helyum, katı
madde parçacıkları için yüksek sıkıştırılabilirlik faktörü
nedeniyle itici gaz olarak kullanılır. 3 ila 6 MPa arasında
değişen gaz basınçları ve 1,8 μm ve 5 μm çapındaki altın
parçacıkları için sayısal bir parametrik çalışma yapılmıştır.
Hesaplanan sonuçlar, cihazın çıkışının aşağısındaki 2 çıkış
çapındaki (De) uzaklık mesafesindeki süpersonik çekirdek
jeti (core jet) üzerinde yoğunlaştırılmış parçacıklarla eşit
parçacık hızına ulaşıldığını göstermektedir.
Bu makale, yeni bir C - D nozzle tasarımında süpersonik
türbülanslı iki fazlı akışı (gaz / mikropartiküller)
sunmaktadır. Cihazın çalışma koşulları, farmasötik etki elde
etmek için her parçacık tipine uygun optimize edilmiştir.

31. Şekil 6'daki hız hatlarının karşılaştırılması, önemli bir farkın
görülemediğini göstermektedir. Başlıca akış özellikleri, özellikle
eğik şok etkileşimi ve yansıması, kolaylıkla karşılaştırılabilir.
 Her iki sonuçta da yaklaşık 1700 m/s olan maksimum hız aynı
yerde meydana gelmiştir (ilk nozzle’ın çıkışı).
Tüm simülasyonlar, 19.320 kg / m3 yoğunlukta olan altın partiküller kullanılarak
yapılmıştır.
Simülasyonda, 3 ila 6 MPa arasında değişen farklı gaz basınçları kullanmıştır.
Eksenel gaz hızı hatları, Şekil 7 (a) 'da gösterilmiştir. Beklendiği gibi, nozzle başında ki
toplam basınç atmosferik olarak 1,89'dan büyük olduğu için nozzle tıkanmıştır. Gaz
tüm durumlar için boğazda-oluk (throat) ses hızına ulaşır. Eğik şoklar, birinci ve ikinci
sabit alan bölümlerinin başında gözlenir.
Şekil 7 (b), hız büyüklüğünü temsil eden çizgiler görülmektedir. Helyumun C – D
nozülüne subsonik bir hızda girdiği yerde süpersonik bir akış oluşturduğunu gösterir.
C --- D nozülünün sonunda eğik bir şok meydana gelir. Bu şok daha sonra sınır
tabakası ile etkileşime girer, cihazın duvarlarından yansır ve cihaz merkezinde kesişir.

32.  Toz enjeksiyon sistemi (PowderJect),
mikron DNA aşılarının iletimi için iğnesiz
yeni bir cihazdır. Temel prensip, biyolojik bir
etki elde etmek için cildin veya mukozal
dokunun dış katmanına nüfuz etmek
amacıyla mikro-altın partiküllerle kaplanmış
önceden ölçülmüş bir DNA aşısı dozunu
uygun bir momentuma hızlandırmak için
sıkıştırılmış Helyum gazından
yararlanılmıştır.
 PowderJect'in en yeni gelişmelerinden biri
Venturi sistemini kullanarak mikron
büyüklüğündeki aşıları yerleşik bir
süpersonik jet akışına yerleştirmek ve onları
hedefe doğru hızlandırmak için venturi
etkisini kullanmaktır.
Bu çalışmanın amacı, prototip Venturi
cihazlarının performansını karakterize etmek
için asgari genişletilmiş nozül akışı, gaz ve
partiküller arasındaki etkileşime vurgu yapan,
doğruluğu yüksek fiziksel ve matematiksel
modellemeler uygulamaktır.

33. • Süpersonik çekirdek akış bölgesini, merkezi alanda yüksek
bir hıza ve nozül duvarına doğru oldukça düşük bir hıza sahip
bir şekilde görülebilmektedir.
• Süpersonik akış geliştikçe şok hücre yapısı oluşur.

34. Venturi sisteminde temsili gaz akışı, hesaplanan akış parametresinin (örneğin, hızın büyüklüğü) cihazın merkez ekseni
boyunca geçen zamandaki değişimini görselleştirerek elde edilmiştir.
Şok hücresi yapı modelleri şekilde açıkça gösterilmiştir.
Nozzle başlangıç işleminin sona ermesi 200 µs’den azdır. Sonuç olarak, parçacıklar hala kasette bulunur. Quasisteady
supersonic jet flow (QSSJF), partikül iletimi için istenen ~1.0 ms süreden itibaren uygun bir şekilde kurulmuştur. Ayrıca
parçacık yörüngelerini çizilmiştir. Tüm parçacıkların <100 µs’de nozzle çıkışına doğru hızlandığı görülebilmektedir.

35. Bu deneyde, cilt içindeki belirli katmanları
hedef alan parçacıkların penetrasyonunun
ve hızının seçimi için optimal değerlerin
belirlenmesi amaçlanmıştır.
Kullanılan gaz: helium gas
Program: (CFD) package called CFX4.3
(AEA Technology)

36. Hız alanları, kopma sonrası diğer zamanlarda 150 ile 300 ms arasında değişen bir sürede elde edilir. Gaz
hedef etkileşiminin doğası ve PIV kurulumundaki pratik kısıtlamalar nedeniyle, partiküllerin hızını bir
hedefe çarpmadan hemen önce ölçümü gerçekleştirilememiştir. Bu nedenle, benimsenen yaklaşım,
parçacık çarpma profillerinin CFX4.3 (AEA Teknolojisi) adlı bir hesaplamalı akışkan dinamiği (CFD) paketi
ile hesaplanmasıydı, Sonuçlar serbest jet hız ölçümleriyle doğrulanmıştır.

37. Kaynakça
• Macar, T. K., Macar, O., Yalçın, E., & Çavuşoğlu, K. Gen Teknolojisi ve Bitkilerde Genetik Transformasyon
Yöntemleri. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17(2), 377-392.
• file:///C:/Users/Intel/Downloads/Biyolistik+-+Gen+Silah%C4%B1.pdf Erişim tarihi:05.10.2019
• http://www.ilketkinlik.com/yazi/Gen-klonlama-isleminin-basamaklari-bitkilerde-ve-hayvanlarda-klonlama-islemi-
fth192 Erişim tarihi:06.10.2019
• Zhang, D., Rielly, C. D., & Das, D. B. (2015). Microneedle-assisted microparticle delivery by gene guns: experiments
and modeling on the effects of particle characteristics. Drug delivery, 22(3), 335-350.
• Sumarsono, D. A., Ibrahim, F., Santoso, S. P., & Sari, G. P. (2018, February). Simulation model of converging-diverging
(CD) nozzle to improve particle delivery system of deoxyribonucleic acid (DNA). In AIP Conference Proceedings (Vol.
1933, No. 1, p. 040020). AIP Publishing.
• Soliman, S. M., & Abdallah, S. (2011). CFD investigation of powdered vaccine and gas dynamics in biolistic gun.
Powder technology, 214(1), 135-142.
• Liu, Y. (2007). Utilization of the venturi effect to introduce micro-particles for epidermal vaccination. Medical
engineering & physics, 29(3), 390-397.
• Liu, Y., Truong, N. K., Kendall, M. A. F., & Bellhouse, B. J. (2007). Characteristics of a micro-biolistic system for
murine immunological studies. Biomedical microdevices, 9(4), 465-474.
• Liu, Y. (2006). A device for the targeting delivery of particulate DNA vaccines. Biotechnology, 5(1), 42-48.
• Zhang, D., Das, D. B., & Rielly, C. D. (2014). Potential of microneedle-assisted micro-particle delivery by gene guns: a
review. Drug delivery, 21(8), 571-587.
• Hardy, M. P., & Kendall, M. A. (2005). Mucosal deformation from an impinging transonic gas jet and the ballistic
impact of microparticles. Physics in Medicine & Biology, 50(19), 4567.