细胞在变窄微通道中的运动、变形和聚集的数值研究

发布时间：2020-04-06 02:08

【摘要】：细胞力学特性的变化不仅是导致某些疾病的原因,也可能是某些疾病状态的生物标志物。近几年来,具有内置收缩的微流体装置已被广泛用于测量细胞的力学特性。研究发现,这种装置的通过时间(定义为细胞通过收缩部位所花费的时间)可以衡量细胞的运动,是一种与细胞的力学特性相关的关键因素。在本文中,我们用一种基于粒子的方法,光滑耗散粒子动力学(SDPD)来探究细胞的通过时间与其力学特性之间的关系。根据我们的模拟数据,分别得到了细胞的通过时间关于变窄微通道的收缩尺寸,细胞的剪切模量和弯曲模量的三个表达式。我们发现具有收敛性收缩(入口比出口宽)和发散性收缩(入口比出口窄)的微通道能更好地识别细胞通过的时间的差异。此外,随着细胞剪切模量的增加,通过时间增加并逐渐接近常数;但是随着弯曲模量的增加,通过时间先增加后减小。这些关系可能是利用微流体控制装置来测量细胞力学特性的基础,进而我们研究这种推荐的微流体芯片设计并检查其在性能方面的潜力。我们发现细胞通过这种变窄微通道的时间对其剪切模量和弯曲模量同时具有依赖性,同时沿流体流动方向(串行化)延长单个变窄的微通道,然后检查芯片对细胞力学特性的敏感性。接下来,我们研究了流体速度对细胞通过时间的影响,并测试了芯片识别多个具有不同力学特性的异质细胞的能力。结果表明,芯片的串行化可以极大地提高芯片对细胞力学特性的敏感性;提高流体的流速不仅有助于增大芯片的通量,而且有助于更准确地测量细胞的通过时间,因为细胞更倾向于高流速下的对称变形;我们推荐的微流体控制芯片能够识别异质细胞,即使只包含一个不健康的细胞。血栓的形成是一个复杂且多步骤的过程,在这项研究中,我们主要关注它的两个关键步骤,(i)血小板粘附在血管壁上,称为血小板的粘附,(ii)血小板聚集在一起并停留在那些已经粘附在血管壁面的血小板上,称为血小板的聚集。我们分别模拟了血小板的脱离,滚动和牢固粘附三种模式,以及血小板栓塞的形成,瓦解,捕获和巩固。结果表明,脱离模式的键解离主要归因于键断裂的可能性很高,因此所有键都可以完全断裂。然而,在滚动粘附模式中,键解离主要归因于血小板受到来自剪切流或红细胞的强牵引力,导致血小板后缘处的键容易断裂。此外,红细胞在血小板的活动中起了重要作用,例如血小板栓塞的形成,瓦解,捕获和巩固。红细胞对血小板施加的聚集力的合力,在近距离处表现为排斥力,在远距离处表现为吸引力。因此,红细胞可以推动血小板聚集在一起形成栓塞,并带走栓塞的一部分血小板导致其瓦解。血小板也受到来自血管壁的粘附力,极大地影响了血小板栓塞的捕获和巩固。
【图文】：

小板还可以在其膜上产生 GP IIb-IIIa 受体[52], 其通常由叫做纤维蛋白原(Fg)的血浆蛋白桥接, 因此, 形成 GP IIb-IIIa - Fg - GP IIb-IIIa 的分子键, 这允许其他血小板聚集到已经粘附在基质的血小板上, 导致血小板聚集并形成血小板栓塞, 如图1.1所示。图 1.1 微管道中血栓周围血小板粘附和聚集的示意图, 其中粘附和聚集键由受体和配体所支配的键连接而成。目前人们已经做出了相当多的实验来定义血小板粘附和聚集的分子机制, 包括这些受体用于调节血小板粘附和聚集的主要的信号传导途径, 例如发现受体 GP Ib 和vWF [53]的结合与血小板的聚集有关, 而 GP IIb-IIIa 可能有助于血小板与 vWF 的粘附[54]。越来越多的研究结果表明粘合剂和骨料键的形成很大程度上受到血流的剪切应力的影响; 在低剪切应力下, 例如在静脉和大动脉中, 血小板粘附主要涉及其与胶原蛋白和纤维蛋白的结合; 而在高剪切应力下, 例如在微血管或狭窄的动脉中

图 3.1 (a) 细胞在具有梯形收缩特点的狭窄微通道的模拟装置, 其中 dx, dy和 dz描述了微通道的尺寸, d1, d2和 Ls描述了狭窄部分的尺寸。(b) 模拟域的横截面的粒子示意图, 其中包括四种类型的粒子, 流体粒子(圆形), 膜粒子(正方形), 排斥粒子(菱形)和虚拟粒子(三角形)。§3.1验证我们用两个验证研究来证明我们的模型和方法的可靠性, 第一个是流过狭窄的微通道的球形胶囊的变形, 第二个是流过狭缝的双凹形红细胞的变形。在第一个验证中, 微通道尺寸为 dx dy dz= 50 10 10μm3, 收缩尺寸为d1= d2= 2.5μm, Ls= 5μm, 胶囊半径为 R = 2.5μm, 剪切模量 ES= 2.5 106N/m弯曲模量 EB= 2.0 1019J, 外部加速度设为 g = (70, 0, 0) m/s2, 在没有细胞的情况下, 微通道不收缩的部分产生的平均速度为 vm= 2.5mm/s, 且 Ca = 0.1, 除弯曲模
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘冰;杨林涛;刘东;闫士杰;马骏驰;鄢冬茂;;微通道技术在精细化学品合成中的应用[J];染料与染色;2018年06期

2 马骏驰;杨林涛;刘冰;刘东;闫士杰;鄢冬茂;;静态微通道反应器结构与应用研究进展[J];染料与染色;2019年01期

3 邓大祥;陈小龙;谢炎林;黄青松;;航空航天冷却微通道制造技术及应用[J];航空制造技术;2017年Z2期

4 李寒羿;韩梅;;微通道反应器浅析[J];宁波化工;2018年02期

5 周云龙;杨美;孙振国;;90°Y型汇流下小曲率矩形截面蛇形微通道气液两相流动特性[J];高校化学工程学报;2017年01期

6 许旭东;赵丹;丁国良;胡海涛;;冰箱用微通道冷凝器分相集总参数模型[J];化工学报;2016年S2期

7 凌芳;顾小焱;柯德宏;王涛;;微通道反应器的发展研究进展[J];上海化工;2017年04期

8 赵秀国;徐新喜;苏琛;任旭东;孟令帅;;化生颗粒在人体微通道内悬浮运动的数值模拟研究[J];军事医学;2017年06期

9 马晓燕;刘斌;李晓宇;殷辉;;微通道冷凝器与传统冷凝器运行特性比较[J];制冷与空调(四川);2015年06期

10 郜帮佶;刘代俊;陈建钧;;板式微通道的液-液两相分离作用研究[J];现代化工;2015年11期

相关会议论文 前10条

1 刘冰;杨林涛;刘东;闫士杰;马骏驰;鄢冬茂;;微通道技术在精细化学品合成中的应用[A];第十五届全国染料与染色学术研讨会暨信息发布会论文集[C];2018年

2 徐元迪;刘赵淼;;Y型微通道内微液滴分裂过程的数值模拟[A];北京力学会第二十三届学术年会会议论文集[C];2017年

3 张成全;施骏业;陈江平;聂圣源;张奎;;微通道冷凝器在家用冰箱中的应用研究[A];2015年中国家用电器技术大会论文集[C];2015年

4 胡国庆;;微通道内颗粒汇聚与分离的机理研究及应用[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年

5 谢翠丽;;载流弹性微通道流固耦合的数值模拟研究[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年

6 崔丹丹;端木庆铎;王国政;杨继凯;李海斌;;基于湿法腐蚀的硅微通道结构释放技术研究[A];国防光电子论坛第二届新型探测技术及其应用研讨会论文集[C];2015年

7 王清伟;刘斌;邸倩倩;殷辉;;不同热负荷下微通道冷凝器的运行特性[A];2013中国制冷学会学术年会论文集[C];2013年

8 陈灿;陈杰凌;林浪;张仕伟;汤勇;;多孔交错互通微通道的制造与强化传热[A];2015年第五届全国地方机械工程学会学术年会暨中国制造2025发展论坛论文集[C];2015年

9 肖瑶;王晓娜;徐丹;邹玉红;陈卓;;“Y”型微通道分子扩散特性的数值仿真研究[A];高等学校工程热物理第十九届全国学术会议论文集[C];2013年

10 王宝阳;刘翔宇;周永;李平;;微通道冷凝器在家用冰箱上的性能影响因子研究[A];2018年中国家用电器技术大会论文集[C];2018年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 陈杰;空调将进入微通道时代[N];科技日报;2008年

2 记者 程亮;微通道,有木有？[N];人才市场报;2011年

3 唐鼎 刘龚献 李金堂;空调行业将掀起一场产业大升级[N];常州日报;2015年

4 记者 何超群 曹连荣;并购国外企业 驱动主业升级[N];绍兴日报;2015年

5 本报记者 郭力方;三花股份获大股东12.8亿元资产注入[N];中国证券报;2015年

6 本报记者 董世梅 张岚;40个大奖量度“创新四川”[N];四川日报;2015年

7 记者 颜伟杰 刘刚 通讯员 孙艺秋;一个新产品打开一个新市场[N];浙江日报;2013年

8 李晖 本报记者 万润龙;新兴产业早布局 “盾安”斩获多矣哉[N];中华工商时报;2016年

9 顾华宁 张岚 董世梅;40个大奖量度“创新四川”[N];四川科技报;2015年

10 本报记者 刘云涛;绿色制药迫在眉睫[N];中国医药报;2016年

相关博士学位论文 前10条

1 李东阳;弯曲微通道内弹性湍流特性研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

2 Mawufemo Modjinou;微通道热管太阳能光伏热系统的数值模拟与实验验证[D];中国科学技术大学;2018年

3 姜睿;微通道内乙醇水混合蒸气冷凝的两相流动与传热[D];大连理工大学;2018年

4 高晓博;基于交流动电效应的微流体和微粒子输运数值模拟研究[D];郑州大学;2018年

5 何雪丰;微通道内光热效应致相变两相流动特性[D];重庆大学;2018年

6 张龙祥;双支路捕获微通道网络中两相流动特性研究[D];北京工业大学;2018年

7 黄光汉;微通道强化传热传质结构制造及性能研究[D];华南理工大学;2018年

8 刘欣;超短脉冲激光直写玻璃扩展芯波导和表面微通道研究[D];中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所);2018年

9 殷秀娓;微通道换热器管内含油制冷剂两相换热和流动特性实验研究及仿真分析[D];上海交通大学;2017年

10 匡以武;微通道两相流体冷却回路内的压力波动特性研究[D];上海交通大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 王学娇;用于新型被动式3D芯片冷却的微尺寸热管结构换热特性研究[D];上海交通大学;2017年

2 史慧欣;细胞在变窄微通道中的运动、变形和聚集的数值研究[D];吉林大学;2019年

3 罗圆;HFO1234yf在大尺度微通道中流动沸腾分析研究[D];吉林大学;2019年

4 苏彤;负压组合式输尿管镜和微通道经皮肾镜治疗输尿管上段结石的对比性研究[D];吉林大学;2019年

5 刘思蔚;微通道内油-水两相流液滴生成研究[D];郑州轻工业大学;2019年

6 薛浩;微尺度液体流动传质与涡系混合技术研究[D];浙江工业大学;2018年

7 马云丽;微通道内液滴生成及分断行为的研究[D];天津大学;2018年

8 张，

本文编号：2615849