基于找形分析的細胞骨架力學模型.pdf

1、細胞是生命的基本單位,生物體內(nèi)的細胞時刻處于復雜的力學環(huán)境中,細胞具有獨特的結構形式和力學特性,可以抵抗內(nèi)部和外界環(huán)境的刺激。研究表明,細胞的結構和力學特性的變化,不僅可以導致細胞形態(tài)的改變,而且還可以使細胞的生理功能發(fā)生異常。雖然目前關于細胞內(nèi)機械力與生物信號之間的傳導機制尚不明確,但是作為首要任務,研究細胞在機械力作用下的力學響應同樣具有重要意義。因此,弄清細胞的結構,建立和完善細胞力學模型成為生物力學界的研究熱點。
　　本文

2、基于柔性建筑結構設計中的找形分析,結合隨機模擬方法,發(fā)展了一種新型的細胞骨架力學模型——找形模型。找形模型模擬了微絲和交聯(lián)蛋白結合形成微絲網(wǎng)絡的結構形態(tài)和受力特征,模型中的微絲和交聯(lián)蛋白分別用有限元方法中的梁單元和索單元模擬,它們的含量、幾何尺寸和力學屬性等參數(shù)都取自細胞試驗數(shù)據(jù),保證了模型輸入數(shù)據(jù)的真實性。模型中的單元通過隨機模擬方法生成,利用找形分析在模型中的交聯(lián)蛋白上施加預應力,經(jīng)過多次的平衡迭代,得到一個自平衡的結構體系,即找形

3、模型的最終形狀。細胞的找形模型不僅在外觀上與真實的細胞骨架結構相似,而且在應力-應變關系上模擬了細胞骨架的力學特性,還可以解釋很多生物現(xiàn)象。本文利用找形模型做了如下幾方面的研究:
　　(1)利用找形模型預測了細胞的彈性模量。通過對多組細胞找形模型的拉伸,統(tǒng)計計算結果得到平均彈性模量為103Pa數(shù)量級,這個數(shù)值與大多數(shù)的細胞試驗結果相一致。
　　(2)利用找形模型研究了細胞中微絲和交聯(lián)蛋白的相對密度、平均長度對細胞剛度的影響。

4、對多組模型的統(tǒng)計結果表明,細胞的彈性模量隨微絲和交聯(lián)蛋白相對密度的增加而增大,且近似呈線性關系。細胞的彈性模量與微絲平均長度成正比,當微絲長度增大到一定值后,由于受到模型尺寸的限制,細胞彈性模量會趨近于一個固定值。
　　(3)在找形模型中加入微絲束,研究了同時含有微絲網(wǎng)絡和微絲束的細胞骨架力學特性。結果表明,與拉力方向平行的微絲束可以顯著地增大細胞剛度,提高細胞抵抗外力的能力。當模型中微絲含量固定時,隨著微絲束相對密度的增加,細胞