本文關鍵詞： 幾類 生物 納米 面的 粘附 接觸　出處：《浙江大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：粘附接觸力學作為固體力學中一個重要的分支,在自然界的演化以及人類發(fā)展進程中有著非常廣泛的應用:如機械結(jié)構的接觸咬合、輪軌接觸、動植物的攀爬、功能涂層等。隨著科學技術的不斷發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)粘附接觸問題在介觀和微觀尺度上尤為重要,特別是微觀尺度上,物體的比表面積顯著增大,界面的接觸粘附往往較體積力起到更為重要的作用,如細胞粘附、納米顆粒的藥物運輸?shù)壬锛{米系統(tǒng)。本文針對幾類典型生物納米界面的粘附接觸問題,以球形顆粒與彈性基底的接觸模型以及分子鍵介導的界面粘附模型兩個方面為切入點進行研究。對于經(jīng)典的剛性小球與柔性基底接觸的Johnson-Kendall-Roberts(JKR)模型,當小球尺寸減小到數(shù)百納米甚至幾納米時,納米顆粒與彈性固體表面的粘附能趨近于環(huán)境熱漲落的特征能量kBT(kB為波爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度),受熱波動的影響,納米顆粒與表面粘附將呈現(xiàn)出明顯的隨機性。我們基于經(jīng)典的Kramers理論,將納米顆粒與固體表面的粘附狀態(tài)演化視為廣義擴散過程,并用粘附狀態(tài)的概率密度分布來表征隨機的粘附狀態(tài)。在此基礎上,我們探討了雙納米顆粒隨機粘附的彈性耦合,并提出了調(diào)控納米顆粒粘附壽命的力學方法。對于分子鍵介導的生物界面粘附,我們建立了相關的內(nèi)聚力模型,研究了受體-配體連接的生物界面受到單調(diào)加載、循環(huán)加載等不同條件下的力學響應。通過預測界面間分子鍵狀態(tài)的時空分布演化,我們發(fā)現(xiàn)界面分離過程中存在明顯的率相關性,能量耗散在中間加載速率上取極大值。在加載速率較大的循環(huán)加載中,界面表現(xiàn)出明顯的遲滯效應,遲滯效應在連續(xù)多次的循環(huán)加載中累積并逐漸飽和。這一內(nèi)聚力模型有助于理解外力作用下細胞與胞外基質(zhì)的粘附和脫粘,以及細胞粘附介導的細胞遷移。我們在分子鍵介導的內(nèi)聚力模型基礎上建立了跨尺度的膜-基底剝離模型,分子鍵狀態(tài)在整個界面范圍進行時空演化,并形成合力作用于膜上,從而與膜的拉伸以及彎曲變形耦合。由于分子鍵特征能量與環(huán)境中熱噪聲能量尺度接近,熱漲落的作用使得多個分子鍵發(fā)生解離,即使在低于傳統(tǒng)理論預測的臨界拉力下,界面剝離也將發(fā)生。這一理論模型還闡明了外力、膜彎曲剛度和分子鍵特征能量等因素對于膜剝離速率和剝離作用區(qū)尺寸的定量影響。本文還研究了整合素-纖粘蛋白復合介導的界面力學問題。這一問題中,界面的動力學過程除了整合素-纖粘蛋白的解離和重連之外,還包括纖粘蛋白的折疊和解折疊,并且與界面的彈性變形相互耦合。我們運用蒙特卡洛方法模擬了這一耦合系統(tǒng)的界面分離過程。由于逆鎖鍵解離和纖粘蛋白解折疊的協(xié)同與競爭,該復合界面呈現(xiàn)出很強的率敏感性。界面應力的空間不均勻?qū)е鲁叽缧�、模量效應和形狀效應。纖粘蛋白解折疊可以有效降低局部應力的機制可用于調(diào)控界面應力分布并控制界面失效模式。我們建立了液體圍繞下剛性小球與彈性基底接觸的固-液復合粘附接觸模型。接觸界面周邊的液橋內(nèi)將產(chǎn)生拉普拉斯壓差,并改變球與基底接觸面的粘附能。液體的存在將導致粘附強度在JKR和DMT兩個經(jīng)典結(jié)果之間光滑過渡,強度本身呈現(xiàn)負一次方的尺度律。同時,在球和基底的準靜態(tài)分離-靠近過程中將發(fā)生固-液復合粘附與完全濕接觸的相互轉(zhuǎn)化,并存在明顯的遲滯效應。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;O647.4

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本文編號：1466436