細胞穿刺實驗的力學分析和數(shù)值仿真.pdf

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

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

3、過程的力-位移和內(nèi)壓變化具有明顯的非線性特點；實驗參數(shù)和細胞壁的物理特性以及滲透特性對實驗結(jié)果的影響很大；為了分析細胞在穿刺過程中的破壞，研究了細胞壁的張力變化規(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，細胞發(fā)生破裂的位置應是在細胞赤道平面附近；但當壓頭半徑與細胞半徑之比很小時，在壓頭處，細胞沿經(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)以及加載速度對實驗結(jié)果的影響必須予以考慮。由于滲透造成的細胞松弛函數(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。 建立了兩細胞力學模型，分析了外力、內(nèi)壓在細胞間的傳遞特點。研究表明：兩細胞排列時，細胞的力-位移、內(nèi)壓-位移均為非線性關(guān)系；細胞的物理參數(shù)只影響本身的力學響應，而不影響與其相鄰細胞的力學響應；

5、細胞的初始內(nèi)壓對細胞本身和與其相鄰細胞的力學響應影響都很大。 細胞穿刺過程中的變形和內(nèi)壓的非線性特點是造成實驗數(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，在進行實驗時應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驗結(jié)果，應能減小實驗結(jié)果的分散性。此外，在設計實驗方案和分析實驗結(jié)果時必須考慮細胞的物理特性、初始內(nèi)壓以及壓頭的幾何尺寸對實驗結(jié)果的影響。 本研究的主要創(chuàng)新點是：建立了單細胞的三維力學模