細(xì)胞力學(xué)建模及其力學(xué)特性的表征.pdf

1、細(xì)胞生物力學(xué)性質(zhì)對(duì)調(diào)控細(xì)胞生理功能起著十分重要的作用，例如細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，分裂，增殖，機(jī)械力傳導(dǎo)以及細(xì)胞死亡。近年來的研究表明細(xì)胞力學(xué)特性的變化可能與疾病的產(chǎn)生和發(fā)展有關(guān)。因?yàn)榱W(xué)特性是生物細(xì)胞內(nèi)在的固有特性，所以它可以作為生物指標(biāo)應(yīng)用于以下研究：(1)研究不同發(fā)育階段的細(xì)胞性質(zhì)變化；(2)區(qū)分正常細(xì)胞與病態(tài)細(xì)胞；(3)測(cè)量細(xì)胞在生物化學(xué)處理前后或者生理環(huán)境變化前后的特性變化。人們已經(jīng)提出了一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算方法來測(cè)量生物細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)，然而

2、，在單細(xì)胞水平研究細(xì)胞的力學(xué)特性仍然是一大挑戰(zhàn)，目前迫切需要提出一個(gè)能適應(yīng)多種實(shí)驗(yàn)條件的細(xì)胞力學(xué)模型。
　　 本論文旨在提出一個(gè)一般化的細(xì)胞力學(xué)模型，它既可以評(píng)估微操作過程中細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)，也可以表征其力學(xué)特性。該模型基于膜理論，并能建立操作力與細(xì)胞變形之間的關(guān)系，不同的細(xì)胞特性對(duì)應(yīng)不同的力-變形響應(yīng)曲線。因此，通過用模擬數(shù)據(jù)擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該細(xì)胞建模方法可以表征細(xì)胞的力學(xué)特性。改變模型中的邊界條件，它可以應(yīng)用在以下情況下：

3、>　　 首先，該模型可以用來描述微注射過程中細(xì)胞的變形行為，并建立注射力與細(xì)胞變形之間的關(guān)系。為了驗(yàn)證提出的模型，我們用不同發(fā)育階段的斑馬魚細(xì)胞做了微注射實(shí)驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬預(yù)測(cè)結(jié)果能很好地吻合，這說明微注射模型能用來估測(cè)注射過程細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)。此外，該模型還表征出斑馬魚晶胚的彈性模量，結(jié)果顯示晶胚在孵化前隨著時(shí)間逐漸變軟。模型中還可以采用各種本征材料來表達(dá)不同細(xì)胞的材料行為，當(dāng)模型與實(shí)驗(yàn)之間的偏差最小時(shí)，該建模方法可以識(shí)別并

4、表征某種細(xì)胞生物膜的最佳本征材料。
　　 其次，光鑷技術(shù)用來研究人類紅細(xì)胞在不同滲透條件下的力學(xué)特性。通過光鑷力標(biāo)定和圖像處理可以分別得到光鑷?yán)爝^程中的拉伸力以及細(xì)胞變形，為了從測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取出紅細(xì)胞的力學(xué)特性，我們針對(duì)球形紅細(xì)胞發(fā)展了一個(gè)細(xì)胞力學(xué)模型，并對(duì)兩面凹細(xì)胞做了有限元分析。基于這些細(xì)胞建模方法，紅細(xì)胞的剪切模量可以表征得到，結(jié)果顯示其細(xì)胞剛度隨著滲透壓的增加而增大。
　　 再次，該力學(xué)模型還可以預(yù)測(cè)紅細(xì)