細胞力學建模及其力學特性的表征.pdf

1、細胞生物力學性質(zhì)對調(diào)控細胞生理功能起著十分重要的作用，例如細胞運動，分裂，增殖，機械力傳導(dǎo)以及細胞死亡。近年來的研究表明細胞力學特性的變化可能與疾病的產(chǎn)生和發(fā)展有關(guān)。因為力學特性是生物細胞內(nèi)在的固有特性，所以它可以作為生物指標應(yīng)用于以下研究：(1)研究不同發(fā)育階段的細胞性質(zhì)變化；(2)區(qū)分正常細胞與病態(tài)細胞；(3)測量細胞在生物化學處理前后或者生理環(huán)境變化前后的特性變化。人們已經(jīng)提出了一些實驗技術(shù)和計算方法來測量生物細胞的力學響應(yīng)，然而

2、，在單細胞水平研究細胞的力學特性仍然是一大挑戰(zhàn)，目前迫切需要提出一個能適應(yīng)多種實驗條件的細胞力學模型。
　　 本論文旨在提出一個一般化的細胞力學模型，它既可以評估微操作過程中細胞的力學響應(yīng)，也可以表征其力學特性。該模型基于膜理論，并能建立操作力與細胞變形之間的關(guān)系，不同的細胞特性對應(yīng)不同的力-變形響應(yīng)曲線。因此，通過用模擬數(shù)據(jù)擬合實驗結(jié)果，該細胞建模方法可以表征細胞的力學特性。改變模型中的邊界條件，它可以應(yīng)用在以下情況下：

3、>　　 首先，該模型可以用來描述微注射過程中細胞的變形行為，并建立注射力與細胞變形之間的關(guān)系。為了驗證提出的模型，我們用不同發(fā)育階段的斑馬魚細胞做了微注射實驗，分析發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)與模擬預(yù)測結(jié)果能很好地吻合，這說明微注射模型能用來估測注射過程細胞的力學響應(yīng)。此外，該模型還表征出斑馬魚晶胚的彈性模量，結(jié)果顯示晶胚在孵化前隨著時間逐漸變軟。模型中還可以采用各種本征材料來表達不同細胞的材料行為，當模型與實驗之間的偏差最小時，該建模方法可以識別并

4、表征某種細胞生物膜的最佳本征材料。
　　 其次，光鑷技術(shù)用來研究人類紅細胞在不同滲透條件下的力學特性。通過光鑷力標定和圖像處理可以分別得到光鑷拉伸過程中的拉伸力以及細胞變形，為了從測得的實驗數(shù)據(jù)中提取出紅細胞的力學特性，我們針對球形紅細胞發(fā)展了一個細胞力學模型，并對兩面凹細胞做了有限元分析?；谶@些細胞建模方法，紅細胞的剪切模量可以表征得到，結(jié)果顯示其細胞剛度隨著滲透壓的增加而增大。
　　 再次，該力學模型還可以預(yù)測紅細