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细胞力学建模及其力学特性的表征

谭又华  
【摘要】: 细胞生物力学性质对调控细胞生理功能起着十分重要的作用,例如细胞运动,分裂,增殖,机械力传导以及细胞死亡。近年来的研究表明细胞力学特性的变化可能与疾病的产生和发展有关。因为力学特性是生物细胞内在的固有特性,所以它可以作为生物指标应用于以下研究:(1)研究不同发育阶段的细胞性质变化;(2)区分正常细胞与病态细胞;(3)测量细胞在生物化学处理前后或者生理环境变化前后的特性变化。人们已经提出了一些实验技术和计算方法来测量生物细胞的力学响应,然而,在单细胞水平研究细胞的力学特性仍然是一大挑战,目前迫切需要提出一个能适应多种实验条件的细胞力学模型。 本论文旨在提出一个一般化的细胞力学模型,它既可以评估微操作过程中细胞的力学响应,也可以表征其力学特性。该模型基于膜理论,并能建立操作力与细胞变形之间的关系,不同的细胞特性对应不同的力-变形响应曲线。因此,通过用模拟数据拟合实验结果,该细胞建模方法可以表征细胞的力学特性。改变模型中的边界条件,它可以应用在以下情况下: 首先,该模型可以用来描述微注射过程中细胞的变形行为,并建立注射力与细胞变形之间的关系。为了验证提出的模型,我们用不同发育阶段的斑马鱼细胞做了微注射实验,分析发现实验数据与模拟预测结果能很好地吻合,这说明微注射模型能用来估测注射过程细胞的力学响应。此外,该模型还表征出斑马鱼晶胚的弹性模量,结果显示晶胚在孵化前随着时间逐渐变软。模型中还可以采用各种本征材料来表达不同细胞的材料行为,当模型与实验之间的偏差最小时,该建模方法可以识别并表征某种细胞生物膜的最佳本征材料。 其次,光镊技术用来研究人类红细胞在不同渗透条件下的力学特性。通过光镊力标定和图像处理可以分别得到光镊拉伸过程中的拉伸力以及细胞变形,为了从测得的实验数据中提取出红细胞的力学特性,我们针对球形红细胞发展了一个细胞力学模型,并对两面凹细胞做了有限元分析。基于这些细胞建模方法,红细胞的剪切模量可以表征得到,结果显示其细胞刚度随着渗透压的增加而增大。 再次,该力学模型还可以预测红细胞在optical stretcher中的变形。通过对比发现模拟结果与已报道的实验数据拟合得很好,而且进一步还可以获取红细胞的力学特性。这项研究证明了细胞力学模型可以用来评估红细胞在optical stretcher中的力学行为并表征其力学性质。


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