低维纳米材料与生物膜耦合力学行为连续体建模与分析
发布时间：2020-12-12 10:45
纳米技术的快速发展使得人类在日常生活中接触到纳米材料的几率大大增加。纳米材料可以通过皮肤、呼吸道和消化道等途径进入人体内,引发后续一系列复杂反应。这些纳米材料在与免疫细胞和后续细胞作用时,均可能穿过细胞膜进入细胞内部。同时,由于独特的物理化学性质,纳米材料在生物成像、疾病诊断、药物输运等方面具有重要应用。这些基于纳米材料的生物医药产品为了发挥效果也将频繁地和细胞膜作用。因而,深入地理解纳米材料与细胞膜的相互作用对于评价纳米材料的安全性、指导基于纳米材料的生物医学应用具有重要意义。本文针对低维纳米材料与生物膜的耦合力学行为进行连续体建模与分析。重点研究了纳米材料的尺寸、形状、变形刚度、细胞膜的表面张力、黏附强度等对纳米材料与细胞膜作用的影响。本文主要研究工作包括以下六个部分:第一、针对基底支撑的碳纳米管与细胞膜作用的情况,建立了考虑碳纳米管径向变形和碳原子之间的长程范德华作用力的连续体模型,并基于此模型分析了碳纳米管在基底支撑和细胞膜包覆双重作用下的坍塌条件。结果表明,在细胞膜弯曲刚度较大且碳纳米管与细胞膜黏附较弱的情况下,坍塌构型为稳定构型。研究通过构型几何简化模型给出了系统坍塌的临界...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：191 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２纳米颗粒进入人体内的主要途径ｍ??Ｆｉｇ．?１．２?Ｍａｊｏｒ?ｒｏｕｔｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｎｔｒｙ?ｏｆ?ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ?ｉｎｔｏ?ｔｈｅ?ｂｏｄｙ［１］??
．ｃ，ａｖｅｏｎ－）涉及到在质膜的细胞质侧组装成发夹状的小窝蛋白覆盖层，形的烧瓶状细胞膜穴样内陷１５１］。目前已知依赖于网格蛋白和小窝蛋复杂的生物化学信号级联［５２］。然而，研究人员对纳米材料进入细到生物化学信号传递的调控仍然知之甚少。如图１．４（ｄ）所示，在作用（Ｃｌａｔｈｒｉｎ－Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ?Ｅｎｄｏｃｙｔｏｓｉｓ）中受体－配体的结合将触被的凹坑”（网格蛋白）的聚集和形成１５３＇５４］。凹坑将自组装成有多边形笼子。网格蛋白的组装还在囊泡缩颈的形成和纳米颗粒包作用。依赖于网格蛋白的胞吞作用是病毒体进入细胞内部最常利白和小窝蛋白能够为内吞作用提供额外的驱动力，但是不依赖于内吞作用仍然可以通过受体分子和配体分子的结合发生［５６￣５７］，如导胞吞作用。表面不带有关联配体分子的纳米颗粒也可通过非特如图１．４〇）所示。对于大尺寸的纳米材料，如果与细胞膜的相互发生跨膜穿透［１４，５８＜１］。然而，在此过程中为了纳米颗粒进入细胞尺寸的孔洞，因而可能对细胞有害。小尺寸的纳米材料和分子可穿过磷脂双分子层进入细胞内部，如图１．４（ｇ）所示。??（ａ）?Ｐｈａｇｏｃｙｔｏｓｉｓ?（ｂ）?Ｍａｃｒｏｐｉｎｏｃｙｔｏｓｉｓ?（ｄ）?（ｅ）?（９）??
研究了碳纳米管与真核细胞膜的相互作用，揭示了柱形一维纳米材料进入细胞的机理??［ｎｉ］，如图１．９所示。对于端部带有球帽的纳米管，实验与模拟结果均表明纳米管进入??细胞的过程包括端部识别、旋转和接近垂直进入几个阶段。纳米管最终进入细胞的角度??由纳米管－细胞膜界面处的弹性能，纳米管旋转和受体分子扩散的相对时间尺度决定。??并且，这种端部进入的机制被认为是细胞摄入碳纳米管受阻和毒性的关键诱导因素。??ａ?ａ?Ｔｏｐ?ｖｉｅｗ?Ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ?ｂ?Ｔｏｐ?ｖｉｅｗ?Ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ??匾圏ｉａＲｉＲ??漏■卞齡??图１．９?一维纳米材料进入细胞的扫描电镜图和粗粒化分子动力学模拟。左侧图中（ａ）为??碳纳米管进入小鼠肝细胞，（ｂ）为碳纳米管进入人体间皮细胞，（ｃ）中左右图分别为金纳米??线和青石棉纤维进入人体间皮细胞［１１１］??Ｆｉｇ．?１．９?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ａｎｄ?ｃｏａｒｓｅ－ｇｒａｉｎｅｄ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｎｔｒｙ?ｏｆ?ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ??ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ?ｉｎｔｏ?ｃｅｌｌｓ．?Ｉｎ?ｔｈｅ?ｌｅｆｔ?ｐｉｃｔｕｒｅｓ，?（ａ）?ｓｈｏｗｓ?ｔｈｅ?ｅｎｔｒｙ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ?ｉｎｔｏ??ｍｕｒｉｎｅ?ｌｉｖｅｒ?ｃｅｌｌｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]肿瘤力学生物学[J]. 冯西桥,薛时磊,李博,施兴华. 医用生物力学. 2018(S1)
[2]从生物力学到力学生物学的进展[J]. 姜宗来. 力学进展. 2017(00)
[3]从确定性到随机性的黏附接触理论[J]. 林骥,林原,钱劲. 科学通报. 2016(07)
[4]双柱胶体粒子与管状生物膜的相互作用[J]. 牛余全,郑斌,崔春红,魏巍,张彩霞,孟庆田. 物理学报. 2014(03)
[5]自发曲率对受体介导的胞吞作用的影响[J]. 时文东. 清华大学学报(自然科学版). 2009(02)
[6]范德华力的广义参变本构模型及其在碳纳米管计算中的应用[J]. 张洪武,王晋宝,叶宏飞,王磊. 物理学报. 2007(03)
博士论文
[1]生物膜—膜蛋白相互作用及纳米粒子跨膜输运的粗粒化模拟研究[D]. 岳同涛.北京化工大学 2012
[2]金纳米粒子聚集行为以及与细胞膜相互作用的模拟研究[D]. 林佳奇.大连理工大学 2012
硕士论文
[1]低维纳米材料与生物细胞相互作用模拟分析[D]. 李欢.大连理工大学 2018
本文编号：2912406
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：191 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２纳米颗粒进入人体内的主要途径ｍ??Ｆｉｇ．?１．２?Ｍａｊｏｒ?ｒｏｕｔｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｎｔｒｙ?ｏｆ?ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ?ｉｎｔｏ?ｔｈｅ?ｂｏｄｙ［１］??
．ｃ，ａｖｅｏｎ－）涉及到在质膜的细胞质侧组装成发夹状的小窝蛋白覆盖层，形的烧瓶状细胞膜穴样内陷１５１］。目前已知依赖于网格蛋白和小窝蛋复杂的生物化学信号级联［５２］。然而，研究人员对纳米材料进入细到生物化学信号传递的调控仍然知之甚少。如图１．４（ｄ）所示，在作用（Ｃｌａｔｈｒｉｎ－Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ?Ｅｎｄｏｃｙｔｏｓｉｓ）中受体－配体的结合将触被的凹坑”（网格蛋白）的聚集和形成１５３＇５４］。凹坑将自组装成有多边形笼子。网格蛋白的组装还在囊泡缩颈的形成和纳米颗粒包作用。依赖于网格蛋白的胞吞作用是病毒体进入细胞内部最常利白和小窝蛋白能够为内吞作用提供额外的驱动力，但是不依赖于内吞作用仍然可以通过受体分子和配体分子的结合发生［５６￣５７］，如导胞吞作用。表面不带有关联配体分子的纳米颗粒也可通过非特如图１．４〇）所示。对于大尺寸的纳米材料，如果与细胞膜的相互发生跨膜穿透［１４，５８＜１］。然而，在此过程中为了纳米颗粒进入细胞尺寸的孔洞，因而可能对细胞有害。小尺寸的纳米材料和分子可穿过磷脂双分子层进入细胞内部，如图１．４（ｇ）所示。??（ａ）?Ｐｈａｇｏｃｙｔｏｓｉｓ?（ｂ）?Ｍａｃｒｏｐｉｎｏｃｙｔｏｓｉｓ?（ｄ）?（ｅ）?（９）??
研究了碳纳米管与真核细胞膜的相互作用，揭示了柱形一维纳米材料进入细胞的机理??［ｎｉ］，如图１．９所示。对于端部带有球帽的纳米管，实验与模拟结果均表明纳米管进入??细胞的过程包括端部识别、旋转和接近垂直进入几个阶段。纳米管最终进入细胞的角度??由纳米管－细胞膜界面处的弹性能，纳米管旋转和受体分子扩散的相对时间尺度决定。??并且，这种端部进入的机制被认为是细胞摄入碳纳米管受阻和毒性的关键诱导因素。??ａ?ａ?Ｔｏｐ?ｖｉｅｗ?Ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ?ｂ?Ｔｏｐ?ｖｉｅｗ?Ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ??匾圏ｉａＲｉＲ??漏■卞齡??图１．９?一维纳米材料进入细胞的扫描电镜图和粗粒化分子动力学模拟。左侧图中（ａ）为??碳纳米管进入小鼠肝细胞，（ｂ）为碳纳米管进入人体间皮细胞，（ｃ）中左右图分别为金纳米??线和青石棉纤维进入人体间皮细胞［１１１］??Ｆｉｇ．?１．９?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ａｎｄ?ｃｏａｒｓｅ－ｇｒａｉｎｅｄ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｎｔｒｙ?ｏｆ?ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ??ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ?ｉｎｔｏ?ｃｅｌｌｓ．?Ｉｎ?ｔｈｅ?ｌｅｆｔ?ｐｉｃｔｕｒｅｓ，?（ａ）?ｓｈｏｗｓ?ｔｈｅ?ｅｎｔｒｙ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ?ｉｎｔｏ??ｍｕｒｉｎｅ?ｌｉｖｅｒ?ｃｅｌｌｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]肿瘤力学生物学[J]. 冯西桥,薛时磊,李博,施兴华. 医用生物力学. 2018(S1)
[2]从生物力学到力学生物学的进展[J]. 姜宗来. 力学进展. 2017(00)
[3]从确定性到随机性的黏附接触理论[J]. 林骥,林原,钱劲. 科学通报. 2016(07)
[4]双柱胶体粒子与管状生物膜的相互作用[J]. 牛余全,郑斌,崔春红,魏巍,张彩霞,孟庆田. 物理学报. 2014(03)
[5]自发曲率对受体介导的胞吞作用的影响[J]. 时文东. 清华大学学报(自然科学版). 2009(02)
[6]范德华力的广义参变本构模型及其在碳纳米管计算中的应用[J]. 张洪武,王晋宝,叶宏飞,王磊. 物理学报. 2007(03)
博士论文
[1]生物膜—膜蛋白相互作用及纳米粒子跨膜输运的粗粒化模拟研究[D]. 岳同涛.北京化工大学 2012
[2]金纳米粒子聚集行为以及与细胞膜相互作用的模拟研究[D]. 林佳奇.大连理工大学 2012
硕士论文
[1]低维纳米材料与生物细胞相互作用模拟分析[D]. 李欢.大连理工大学 2018
本文编号：2912406
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