細(xì)胞穿刺實(shí)驗(yàn)的力學(xué)分析和數(shù)值仿真.pdf

1、細(xì)胞穿刺是一種測(cè)量細(xì)胞力學(xué)特性的新的實(shí)驗(yàn)方法，由于具有方便快捷、直接測(cè)出細(xì)胞內(nèi)壓、細(xì)胞變形等力學(xué)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。但在使用中也發(fā)現(xiàn)某些缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果分散、毀壞目標(biāo)細(xì)胞，使得實(shí)驗(yàn)不可重復(fù)；不同品種的細(xì)胞測(cè)量結(jié)果完全不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性差。為了深入研究細(xì)胞在穿刺過程中的變形和內(nèi)壓的變化規(guī)律、探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果分散的原因，本文建立了能夠描述細(xì)胞大變形的力學(xué)模型，利用數(shù)值方法對(duì)細(xì)胞的穿刺過程進(jìn)行了模擬，研究了實(shí)驗(yàn)參數(shù)、物理參數(shù)以及細(xì)胞壁的滲透

2、特性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，揭示出實(shí)驗(yàn)中無法觀察或沒有注意觀察的結(jié)果。數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋、實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇和實(shí)驗(yàn)方案的制定有重要的參考價(jià)值。另外，本文得到的結(jié)論也對(duì)其他涉及細(xì)胞抓取微型機(jī)械的設(shè)計(jì)有幫助。 本文主要完成了以下研究工作： 將細(xì)胞壁簡化成均勻的、各向同性的超彈性膜，細(xì)胞液簡化成不可壓縮的液體，建立了能夠描述細(xì)胞大變形的兩相、球形的力學(xué)模型，推導(dǎo)出細(xì)胞在穿刺過程中的平衡方程并進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：細(xì)胞穿刺

3、過程的力-位移和內(nèi)壓變化具有明顯的非線性特點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)參數(shù)和細(xì)胞壁的物理特性以及滲透特性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響很大；為了分析細(xì)胞在穿刺過程中的破壞，研究了細(xì)胞壁的張力變化規(guī)律，除在兩極處經(jīng)線與緯線方向張力相等外，其余各處均是緯線方向的張力大于經(jīng)線方向的張力。因此，通常情況下，細(xì)胞發(fā)生破裂的位置應(yīng)是在細(xì)胞赤道平面附近；但當(dāng)壓頭半徑與細(xì)胞半徑之比很小時(shí)，在壓頭處，細(xì)胞沿經(jīng)線方向的張力最大，則在該處也可能發(fā)生破裂。 只有在小變形、滲透系數(shù)很小

4、、快速加載過程中，可以忽略滲透作用以及加載速度的影響；否則，滲透系數(shù)以及加載速度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響必須予以考慮。由于滲透造成的細(xì)胞松弛函數(shù)的形式與帶平衡常數(shù)的Maxwell模型形式一致；蠕變函數(shù)的形式則與廣義的Kelvin模型的形式一致。 建立了兩細(xì)胞力學(xué)模型，分析了外力、內(nèi)壓在細(xì)胞間的傳遞特點(diǎn)。研究表明：兩細(xì)胞排列時(shí)，細(xì)胞的力-位移、內(nèi)壓-位移均為非線性關(guān)系；細(xì)胞的物理參數(shù)只影響本身的力學(xué)響應(yīng)，而不影響與其相鄰細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)；

5、細(xì)胞的初始內(nèi)壓對(duì)細(xì)胞本身和與其相鄰細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)影響都很大。 細(xì)胞穿刺過程中的變形和內(nèi)壓的非線性特點(diǎn)是造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散的重要原因之一。由于存在兩種不同位置的破壞可能，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意觀察和記錄穿刺破壞的位置，比較在相同破壞位置下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)能減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分散性。此外，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)必須考慮細(xì)胞的物理特性、初始內(nèi)壓以及壓頭的幾何尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。 本研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是：建立了單細(xì)胞的三維力學(xué)模