球形薄壁細(xì)胞的力學(xué)模型研究.pdf

1、生物組織由細(xì)胞構(gòu)成，對單細(xì)胞力學(xué)行為及其對組織的力學(xué)乃至生命功能所起作用的研究得到細(xì)胞力學(xué)界的普遍重視。蔬菜、水果等植物組織的力學(xué)性質(zhì)在農(nóng)產(chǎn)品收獲、運輸和加工中起重要作用，因此，植物細(xì)胞力學(xué)研究也成為農(nóng)業(yè)與食品工程中的重要課題。要了解外部力學(xué)因素對細(xì)胞和組織的作用規(guī)律，僅依靠宏觀的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型是無法實現(xiàn)的。要建立針對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)理論，需要建立外力與組織中各個細(xì)胞力學(xué)響應(yīng)的聯(lián)系，此研究的路徑應(yīng)該首先構(gòu)造接近真實情況并且計算簡單實

2、用的細(xì)胞力學(xué)模型，應(yīng)用此模型對細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)及其在組織中的作用進(jìn)行研究。大多數(shù)生物材料具有這一特殊性，其力學(xué)性質(zhì)與單細(xì)胞的力學(xué)行為緊密相關(guān)，而構(gòu)造細(xì)胞模型是開展研究的重要手段。只有深入了解宏觀力學(xué)條件與細(xì)胞力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系，才能正確地解決生命體生長過程和形態(tài)變化對力學(xué)環(huán)境的依賴規(guī)律等重要問題。因此，本課題是把組織力學(xué)性質(zhì)與細(xì)胞生物特征結(jié)合起來的一項重要的基礎(chǔ)性研究。 本文以球形薄壁植物細(xì)胞為背景建立了細(xì)胞的力學(xué)模型，細(xì)胞壁與細(xì)胞

3、膜視為一體，內(nèi)包原生質(zhì)。因細(xì)胞壁與內(nèi)質(zhì)在剛度上存在很大差異，故假設(shè)細(xì)胞壁為均勻連續(xù)的等厚度薄膜所包成的膜球，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)為不可壓縮液體。膜材料的本構(gòu)關(guān)系選擇了超彈性、線彈性和線性黏彈性等物理方程。模型細(xì)胞可以在初始內(nèi)壓作用下膨脹，受外載荷作用發(fā)生變形后內(nèi)壓發(fā)生變化，此變化是影響細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。細(xì)胞壁具有滲透性，即內(nèi)部液體可因超常壓力外滲。模型的受力和變形滿足軸對稱假設(shè)。 單細(xì)胞的壓縮試驗在植物細(xì)胞實驗研究中應(yīng)用最為廣泛，其

4、主要研究目標(biāo)是測量細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，研究細(xì)胞膜滲透性對細(xì)胞力學(xué)行為的影響，并考察模型對細(xì)胞力學(xué)行為的模擬能力。第三章中應(yīng)用數(shù)值方法對細(xì)胞模型處于一對平行剛性平面之間的壓縮問題進(jìn)行數(shù)值求解，模擬細(xì)胞壓縮試驗，研究受壓細(xì)胞的變形規(guī)律，抗壓剛度，以及細(xì)胞壁材料力學(xué)性質(zhì)參數(shù)、細(xì)胞內(nèi)壓和細(xì)胞膜滲透性與變形規(guī)律之間的關(guān)系。 微吸管技術(shù)在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用由來已久，在細(xì)胞的力學(xué)研究中該技術(shù)主要用來測量細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，針對這一問題的理論研

5、究有助于得到合理的實驗方法與結(jié)果。第四章對細(xì)胞與微吸管的吮吸接觸問題展開研究。工作從建立細(xì)胞與微吸管接觸的理論模型入手，經(jīng)過數(shù)值求解，在得到細(xì)胞壁主伸長率、變形、張力和應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，總結(jié)出細(xì)胞壁彈性性質(zhì)參數(shù)與細(xì)胞吸入變形之間的定量關(guān)系，為應(yīng)用微吸管技術(shù)測量植物細(xì)胞壁彈性性質(zhì)參數(shù)建立理論基礎(chǔ)。 微吸管技術(shù)還經(jīng)常應(yīng)用于對活細(xì)胞進(jìn)行分離、穿刺、擠壓等實驗研究，在實驗中微吸管或微探針要有選擇地破壞或分離細(xì)胞的某些部分，同時要求對細(xì)胞

6、中需要保留部分的機械損傷小。受到微吸管和微探針同時作用的細(xì)胞中的應(yīng)力、變形分布將更為復(fù)雜。到目前為止，受到微吸管吮吸并同時受到探針按壓的細(xì)胞中的應(yīng)力、應(yīng)變和變形將如何分布這一問題尚未得到理論研究。本文第五章建立了細(xì)胞與微吸管和探針的接觸模型，應(yīng)用數(shù)值方法對模型進(jìn)行求解，在得出細(xì)胞壁應(yīng)力、變形和內(nèi)壓等結(jié)果的基礎(chǔ)上，總結(jié)出探針粗細(xì)、吸管口徑、細(xì)胞內(nèi)壓和細(xì)胞壁彈性性質(zhì)參數(shù)等條件與細(xì)胞應(yīng)力和變形之間的初步關(guān)系，為相應(yīng)實驗研究建立理論基礎(chǔ)。