基于基因枪背景的细胞破损有限元模拟

发布时间：2020-09-24 05:41

　　 当今社会,癌症是造成人类死亡的主要原因之一,为从根源治疗癌症,以基因枪为主的基因治疗技术应运而生。基因枪技术的基本原理是利用加速装置,将表面包裹DNA的钨粉或金粉颗粒,以物理方式射入靶细胞,以实现外源基因的表达。但基因枪使用时也面临着困难,如难以将包裹DNA的微弹以适当的速度射入靶细胞且不会将细胞完全破坏,它影响着基因表达率以及实验成功率。为解决这一难题,本文使用生物力学实验与力学模拟相结合的方法,建立了细胞破损模型,为基因枪实验以及实验改进提供理论指导。本文在前人研究的基础上,将原子力显微镜(AFM)破膜实验、细胞理论模型和细胞有限元模型相结合,从力学角度研究细胞膜被AFM探针穿透破坏的过程,建立Hela细胞准静态破损模型,得到破损所需的必要条件,并在此基础上探讨基因枪动态破损模拟的可能性。主要工作如下:1)采用AFM对Hela细胞进行破膜实验。首先对细胞进行扫描,得到其表面形貌参数;其次利用AFM探针对细胞高度约为3.5μm的点进行加载,得到探针力-位移曲线,在力-位移曲线中确定破膜力和破膜时探针位移,并根据加载曲线在初始接触细胞时的弹性部分,计算出细胞膜的弹性模量,为建立细胞模型提供材料参数。2)提出细胞模型的基本假设,分析了细胞膜和细胞质的常用本构模型,建立具有双层不同材料属性的细胞力学模型。结果表明:对细胞膜建立弹塑性模型,对细胞质建立粘弹性模型是较为准确合理的。3)通过ABAQUS软件模拟AFM破膜实验,与实验结果进行对比,得到实验中无法直接测得的塑性参数,建立准静态下细胞破损的有限元模型。在此基础上,建立基因枪微弹冲击细胞的动态计算模型。结果表明:微弹的初始速度不同对细胞产生的变形也不同,当初始速度达到某一临界值,才能使微弹穿破细胞膜且停留在细胞中,为基因枪临床使用时的微弹速度选择和参数设置提供依据,有助于基因的成功表达。本文通过生物力学实验和有限元方法建立了准静态细胞破损的有限元模型,进一步对基因枪微弹动态冲击的模拟进行初步尝试,为后续研究基因枪微弹高速冲击细胞的模型奠定基础,也为今后研究细胞力学提供一种新方法。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R450
【部分图文】：

图 1-3 Helios 型手持基因枪Figure.1-3 Helios gene gun微弹选择、轰击速度、轰击压力等因素对验过程进行有限元模拟，计算出合适的初

微管吸吮示意图

微管吸吮实验图

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本文编号：2825384