纳米针机械作用下细胞膜及核膜变形的数值仿真研究
发布时间：2021-09-25 10:46
基于纳米针的细胞穿透技术及相关的细胞转染、基因编辑已成为了近年来的热门研究课题。该技术的成熟、系统化将对医学和生命科学具有重大意义。但是,由于细胞内部环境、结构复杂,细胞膜、核被膜的机械穿透机理不明确,导致了细胞的机械穿孔率不高,DNA传递效率低,阻碍了该技术走向临床应用。在细胞的针刺实验中,不能可视化的观测到细胞穿孔过程中力在细胞内的传递及细胞结构的变化,限制了细胞机械穿孔研究的进步。构建合理的细胞模型,通过数值模拟的方法可以可视化的观测到针刺过程细胞内各结构的受力、变形情况,促进细胞机械穿孔机制的研究。因此,本文分别建立细胞膜、核被膜的针刺模型,通过数值模拟探究纳米针机械作用下细胞膜、核被膜、细胞骨架和核纤层之间的应力分布和结构变形关系,获取细胞膜、核膜在受压过程中的应力变化情况。首先,对细胞膜的针刺过程进行了模拟。以实验为参照,先分别对不同针尖、膜表面条件进行了模拟;再对粗针非正交接触的轴向加载和纵向加载情况进行模拟。结果得出:针尖下压过程在细胞膜上存在应力分段效应,第一阶段细胞膜主导受力,应力迅速增加,第二阶段细胞骨架主导受力,细胞膜的最佳插入行为发生在第一阶段。其次,对核膜的...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
细胞的张拉整体模型[34]
电子科技大学硕士学位论文6构元素及其与ECM的粘附的手段。研究人员已经证明，张拉整体模型可以重现在活贴壁细胞的机械试验中观察到的许多特征，这支持了该概念在细胞力学中的适用性。Hu[37,38]等利用该模型发现细胞刚度与收缩应力的增加成正比。Maniotis[39]用整合素包覆的微管推拉显示了细胞骨架和细胞核的协调变形，表明了细胞骨架丝从细胞表面到细胞核的连接性。微管可以携带大型压缩加载[40]，反过来平衡细胞骨架预应力的很大一部分，以及中间丝，在大的力作用下对细胞的收缩性起重要作用，促进细胞表面和细胞核之间的负荷转移[41]。但是，由于离散的张拉整体并没有考虑到细胞的其他主要组成部分，如皮层膜、细胞质和细胞核，因此，细胞张拉整体模型更适用于细胞骨架的静态特性研究。有限元建模在细胞力学研究中特别有用，特别是在预测活细胞在生理相关的时间和空间尺度上的响应问题和在加载条件或机械响应无法通过实验轻易量化时。所以，随后就有学者开发了包含张拉整体结构的有限元模型，如图1-2所示。McGarry和Prendergast[42]建立了基于张拉整体结构的有限元模型来描述预应力CSK的微管和肌动蛋白丝。在理想的几何结构中，该模型还包含了其他被认为在结构上具有重要意义的细胞成分：细胞质、细胞核核膜成分，如图1-2（a）所示。通过施加外力获得的结果表明，细胞骨架在决定细胞的刚度方面起着关键重要。（a）（b）图1-2张拉整体结构的有限元模型[42,43]。（a）包含连续介质成分的模型；（b）仅包含离散介质成分的模型进一步的参数研究表明，细胞质的物质性质（弹性和压缩性）对细胞的刚度也有一定的影响。由于细胞骨架能通过中心体或核膜表面连接蛋白直接与细胞核进行连
第二章模型的设计与建立9第二章模型的设计与建立2.1细胞、细胞核及骨架结构2.1.1细胞与细胞骨架细胞是由大量不同成分共同组成的具有高度复杂的结构的生命体，图2-1所示的即为真核细胞的结构图。而细胞力学则是众多生物细胞功能运作的核心所在。从机械的角度来看，由微丝、中间丝和微管所组成的细胞骨架（CSK）在维持细胞稳定中起着至关重要的作用，其构成的一系列的可收缩的丝状网络结构，遍布在整个细胞体内。细胞通过细胞骨架结构的刚度和骨架流变学以及细胞主动对外部环境产生的机械相互作用来共同维持生存所必需的执行的各种功能。细胞的形态、机械强度和完整性，以及收缩、迁移、有丝分裂或聚合等机械相关的过程，都是由细胞骨架的结构调控所决定的。细胞的这些生命活动过程都是通过骨架成分的动态解聚和聚合来完成。所以，细胞骨架是细胞重要的机械作用承受体，负责维护细胞结构的完整性和刚度。图2-1真核细胞的结构[49]在细胞内，细胞骨架由数种乃至数十种蛋白质，而且，在不同类型的细胞间又有所差异。细胞骨架的主要成分是由三大家族蛋白质聚集形成的三种微丝结构，分别是：肌动蛋白丝、中间丝和微管。这些微丝构成的网络充满了除了细胞核及细
本文编号：3409583
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
细胞的张拉整体模型[34]
电子科技大学硕士学位论文6构元素及其与ECM的粘附的手段。研究人员已经证明，张拉整体模型可以重现在活贴壁细胞的机械试验中观察到的许多特征，这支持了该概念在细胞力学中的适用性。Hu[37,38]等利用该模型发现细胞刚度与收缩应力的增加成正比。Maniotis[39]用整合素包覆的微管推拉显示了细胞骨架和细胞核的协调变形，表明了细胞骨架丝从细胞表面到细胞核的连接性。微管可以携带大型压缩加载[40]，反过来平衡细胞骨架预应力的很大一部分，以及中间丝，在大的力作用下对细胞的收缩性起重要作用，促进细胞表面和细胞核之间的负荷转移[41]。但是，由于离散的张拉整体并没有考虑到细胞的其他主要组成部分，如皮层膜、细胞质和细胞核，因此，细胞张拉整体模型更适用于细胞骨架的静态特性研究。有限元建模在细胞力学研究中特别有用，特别是在预测活细胞在生理相关的时间和空间尺度上的响应问题和在加载条件或机械响应无法通过实验轻易量化时。所以，随后就有学者开发了包含张拉整体结构的有限元模型，如图1-2所示。McGarry和Prendergast[42]建立了基于张拉整体结构的有限元模型来描述预应力CSK的微管和肌动蛋白丝。在理想的几何结构中，该模型还包含了其他被认为在结构上具有重要意义的细胞成分：细胞质、细胞核核膜成分，如图1-2（a）所示。通过施加外力获得的结果表明，细胞骨架在决定细胞的刚度方面起着关键重要。（a）（b）图1-2张拉整体结构的有限元模型[42,43]。（a）包含连续介质成分的模型；（b）仅包含离散介质成分的模型进一步的参数研究表明，细胞质的物质性质（弹性和压缩性）对细胞的刚度也有一定的影响。由于细胞骨架能通过中心体或核膜表面连接蛋白直接与细胞核进行连
第二章模型的设计与建立9第二章模型的设计与建立2.1细胞、细胞核及骨架结构2.1.1细胞与细胞骨架细胞是由大量不同成分共同组成的具有高度复杂的结构的生命体，图2-1所示的即为真核细胞的结构图。而细胞力学则是众多生物细胞功能运作的核心所在。从机械的角度来看，由微丝、中间丝和微管所组成的细胞骨架（CSK）在维持细胞稳定中起着至关重要的作用，其构成的一系列的可收缩的丝状网络结构，遍布在整个细胞体内。细胞通过细胞骨架结构的刚度和骨架流变学以及细胞主动对外部环境产生的机械相互作用来共同维持生存所必需的执行的各种功能。细胞的形态、机械强度和完整性，以及收缩、迁移、有丝分裂或聚合等机械相关的过程，都是由细胞骨架的结构调控所决定的。细胞的这些生命活动过程都是通过骨架成分的动态解聚和聚合来完成。所以，细胞骨架是细胞重要的机械作用承受体，负责维护细胞结构的完整性和刚度。图2-1真核细胞的结构[49]在细胞内，细胞骨架由数种乃至数十种蛋白质，而且，在不同类型的细胞间又有所差异。细胞骨架的主要成分是由三大家族蛋白质聚集形成的三种微丝结构，分别是：肌动蛋白丝、中间丝和微管。这些微丝构成的网络充满了除了细胞核及细
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