細胞微管力學性能的有限元模擬.pdf

1、細胞是生物體基本的結構和功能單位。一個細胞的結構剛度及幾何形狀在很大程度上由細胞骨架決定。細胞骨架的主要成分是微管、微絲和中間纖維。這些蛋白質聚合物對于細胞內的物質運輸、細胞器的移動、細胞有絲分裂過程中染色體的運動及細胞壁的形成等都具有十分重要的作用。微管是強度最高的細胞骨架構件，其軸向剛度顯著高于微絲和中間纖維剛度，但在彎曲時又能表現(xiàn)出很高的柔韌性。研究其力學性能與結構的關系可以促進對生物體生理過程機理的深入理解并推動仿生材料科學的發(fā)

2、展。尤其微管的原纖維之間的滑移在實驗中已經被觀察到，這種滑移對微管的力學性能有較大的影響。因此本文將就相關的議題進行下列兩方面的研究：
　　一原纖維之間的滑移對微管彎曲性能的影響。采用微管的分子結構力學模型，其中微管原纖維之間的相互作用以等效梁單元Beam2來表征，在模型的自由端分別施加彎矩和橫向力，通過改變Beam2的三個剛度，即使三個剛度分別變?yōu)樵档?0-6-106倍，探討原纖維滑移產生的條件并在不同的邊界條件下計算微管的彎

3、曲撓度和等效彎曲剛度。結果表明纖維之間的滑移是導致微管的等效彎曲剛度隨長度改變的主要原因。該研究中獲得的微管結構與其力學行為的關系可為未來類微管結構微智能材料的設計和研究提供有益的指導。比如研究結果表明，通過改變其原纖維之間的相互作用力的大小，可以控制其彎曲性能。
　　二原纖維之間的滑移對微管自由振動的影響。通過經典歐拉梁模型計算微管自由振動的頻率并與基于分子結構力學模型得到的頻率進行比較。在兩種不同的邊界條件下（兩端固支和懸臂）

4、，歐拉梁模型過高的估計了微管（長度直徑比L/D≥10）橫向自由振動的頻率。其與分子結構力學模型的誤差隨著振動階數(shù)的增加（m=4,5,6）或者“波長-直徑”比(L/(mD))的減小而變大。這種差異可以通過非局部理論進行很好的解釋。在微管的彎曲中，原纖維之間的滑移提供了非局部參數(shù)e0a可能產生的物理根源。在此之前，e0a的物理起源在非局部力學理論中沒有能夠得到清楚的解釋。這一發(fā)現(xiàn)說明在微管中非局部效應的影響通過原纖維之間的滑移降低了微管的自