基于找形分析的細(xì)胞骨架力學(xué)模型.pdf

1、細(xì)胞是生命的基本單位,生物體內(nèi)的細(xì)胞時(shí)刻處于復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境中,細(xì)胞具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)特性,可以抵抗內(nèi)部和外界環(huán)境的刺激。研究表明,細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的變化,不僅可以導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)的改變,而且還可以使細(xì)胞的生理功能發(fā)生異常。雖然目前關(guān)于細(xì)胞內(nèi)機(jī)械力與生物信號(hào)之間的傳導(dǎo)機(jī)制尚不明確,但是作為首要任務(wù),研究細(xì)胞在機(jī)械力作用下的力學(xué)響應(yīng)同樣具有重要意義。因此,弄清細(xì)胞的結(jié)構(gòu),建立和完善細(xì)胞力學(xué)模型成為生物力學(xué)界的研究熱點(diǎn)。
　　本文

2、基于柔性建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的找形分析,結(jié)合隨機(jī)模擬方法,發(fā)展了一種新型的細(xì)胞骨架力學(xué)模型——找形模型。找形模型模擬了微絲和交聯(lián)蛋白結(jié)合形成微絲網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形態(tài)和受力特征,模型中的微絲和交聯(lián)蛋白分別用有限元方法中的梁?jiǎn)卧退鲉卧M,它們的含量、幾何尺寸和力學(xué)屬性等參數(shù)都取自細(xì)胞試驗(yàn)數(shù)據(jù),保證了模型輸入數(shù)據(jù)的真實(shí)性。模型中的單元通過(guò)隨機(jī)模擬方法生成,利用找形分析在模型中的交聯(lián)蛋白上施加預(yù)應(yīng)力,經(jīng)過(guò)多次的平衡迭代,得到一個(gè)自平衡的結(jié)構(gòu)體系,即找形

3、模型的最終形狀。細(xì)胞的找形模型不僅在外觀上與真實(shí)的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)相似,而且在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上模擬了細(xì)胞骨架的力學(xué)特性,還可以解釋很多生物現(xiàn)象。本文利用找形模型做了如下幾方面的研究:
　　(1)利用找形模型預(yù)測(cè)了細(xì)胞的彈性模量。通過(guò)對(duì)多組細(xì)胞找形模型的拉伸,統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果得到平均彈性模量為103Pa數(shù)量級(jí),這個(gè)數(shù)值與大多數(shù)的細(xì)胞試驗(yàn)結(jié)果相一致。
　　(2)利用找形模型研究了細(xì)胞中微絲和交聯(lián)蛋白的相對(duì)密度、平均長(zhǎng)度對(duì)細(xì)胞剛度的影響。

4、對(duì)多組模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,細(xì)胞的彈性模量隨微絲和交聯(lián)蛋白相對(duì)密度的增加而增大,且近似呈線性關(guān)系。細(xì)胞的彈性模量與微絲平均長(zhǎng)度成正比,當(dāng)微絲長(zhǎng)度增大到一定值后,由于受到模型尺寸的限制,細(xì)胞彈性模量會(huì)趨近于一個(gè)固定值。
　　(3)在找形模型中加入微絲束,研究了同時(shí)含有微絲網(wǎng)絡(luò)和微絲束的細(xì)胞骨架力學(xué)特性。結(jié)果表明,與拉力方向平行的微絲束可以顯著地增大細(xì)胞剛度,提高細(xì)胞抵抗外力的能力。當(dāng)模型中微絲含量固定時(shí),隨著微絲束相對(duì)密度的增加,細(xì)胞