納米針機械作用下細胞膜及核膜變形的數(shù)值仿真研究
發(fā)布時間：2021-09-25 10:46
基于納米針的細胞穿透技術及相關的細胞轉(zhuǎn)染、基因編輯已成為了近年來的熱門研究課題。該技術的成熟、系統(tǒng)化將對醫(yī)學和生命科學具有重大意義。但是,由于細胞內(nèi)部環(huán)境、結(jié)構(gòu)復雜,細胞膜、核被膜的機械穿透機理不明確,導致了細胞的機械穿孔率不高,DNA傳遞效率低,阻礙了該技術走向臨床應用。在細胞的針刺實驗中,不能可視化的觀測到細胞穿孔過程中力在細胞內(nèi)的傳遞及細胞結(jié)構(gòu)的變化,限制了細胞機械穿孔研究的進步。構(gòu)建合理的細胞模型,通過數(shù)值模擬的方法可以可視化的觀測到針刺過程細胞內(nèi)各結(jié)構(gòu)的受力、變形情況,促進細胞機械穿孔機制的研究。因此,本文分別建立細胞膜、核被膜的針刺模型,通過數(shù)值模擬探究納米針機械作用下細胞膜、核被膜、細胞骨架和核纖層之間的應力分布和結(jié)構(gòu)變形關系,獲取細胞膜、核膜在受壓過程中的應力變化情況。首先,對細胞膜的針刺過程進行了模擬。以實驗為參照,先分別對不同針尖、膜表面條件進行了模擬;再對粗針非正交接觸的軸向加載和縱向加載情況進行模擬。結(jié)果得出:針尖下壓過程在細胞膜上存在應力分段效應,第一階段細胞膜主導受力,應力迅速增加,第二階段細胞骨架主導受力,細胞膜的最佳插入行為發(fā)生在第一階段。其次,對核膜的...
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：72 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
細胞的張拉整體模型[34]
電子科技大學碩士學位論文6構(gòu)元素及其與ECM的粘附的手段。研究人員已經(jīng)證明，張拉整體模型可以重現(xiàn)在活貼壁細胞的機械試驗中觀察到的許多特征，這支持了該概念在細胞力學中的適用性。Hu[37,38]等利用該模型發(fā)現(xiàn)細胞剛度與收縮應力的增加成正比。Maniotis[39]用整合素包覆的微管推拉顯示了細胞骨架和細胞核的協(xié)調(diào)變形，表明了細胞骨架絲從細胞表面到細胞核的連接性。微管可以攜帶大型壓縮加載[40]，反過來平衡細胞骨架預應力的很大一部分，以及中間絲，在大的力作用下對細胞的收縮性起重要作用，促進細胞表面和細胞核之間的負荷轉(zhuǎn)移[41]。但是，由于離散的張拉整體并沒有考慮到細胞的其他主要組成部分，如皮層膜、細胞質(zhì)和細胞核，因此，細胞張拉整體模型更適用于細胞骨架的靜態(tài)特性研究。有限元建模在細胞力學研究中特別有用，特別是在預測活細胞在生理相關的時間和空間尺度上的響應問題和在加載條件或機械響應無法通過實驗輕易量化時。所以，隨后就有學者開發(fā)了包含張拉整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖1-2所示。McGarry和Prendergast[42]建立了基于張拉整體結(jié)構(gòu)的有限元模型來描述預應力CSK的微管和肌動蛋白絲。在理想的幾何結(jié)構(gòu)中，該模型還包含了其他被認為在結(jié)構(gòu)上具有重要意義的細胞成分：細胞質(zhì)、細胞核核膜成分，如圖1-2（a）所示。通過施加外力獲得的結(jié)果表明，細胞骨架在決定細胞的剛度方面起著關鍵重要。（a）（b）圖1-2張拉整體結(jié)構(gòu)的有限元模型[42,43]。（a）包含連續(xù)介質(zhì)成分的模型；（b）僅包含離散介質(zhì)成分的模型進一步的參數(shù)研究表明，細胞質(zhì)的物質(zhì)性質(zhì)（彈性和壓縮性）對細胞的剛度也有一定的影響。由于細胞骨架能通過中心體或核膜表面連接蛋白直接與細胞核進行連
第二章模型的設計與建立9第二章模型的設計與建立2.1細胞、細胞核及骨架結(jié)構(gòu)2.1.1細胞與細胞骨架細胞是由大量不同成分共同組成的具有高度復雜的結(jié)構(gòu)的生命體，圖2-1所示的即為真核細胞的結(jié)構(gòu)圖。而細胞力學則是眾多生物細胞功能運作的核心所在。從機械的角度來看，由微絲、中間絲和微管所組成的細胞骨架（CSK）在維持細胞穩(wěn)定中起著至關重要的作用，其構(gòu)成的一系列的可收縮的絲狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，遍布在整個細胞體內(nèi)。細胞通過細胞骨架結(jié)構(gòu)的剛度和骨架流變學以及細胞主動對外部環(huán)境產(chǎn)生的機械相互作用來共同維持生存所必需的執(zhí)行的各種功能。細胞的形態(tài)、機械強度和完整性，以及收縮、遷移、有絲分裂或聚合等機械相關的過程，都是由細胞骨架的結(jié)構(gòu)調(diào)控所決定的。細胞的這些生命活動過程都是通過骨架成分的動態(tài)解聚和聚合來完成。所以，細胞骨架是細胞重要的機械作用承受體，負責維護細胞結(jié)構(gòu)的完整性和剛度。圖2-1真核細胞的結(jié)構(gòu)[49]在細胞內(nèi)，細胞骨架由數(shù)種乃至數(shù)十種蛋白質(zhì)，而且，在不同類型的細胞間又有所差異。細胞骨架的主要成分是由三大家族蛋白質(zhì)聚集形成的三種微絲結(jié)構(gòu)，分別是：肌動蛋白絲、中間絲和微管。這些微絲構(gòu)成的網(wǎng)絡充滿了除了細胞核及細
本文編號：3409583
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：72 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
細胞的張拉整體模型[34]
電子科技大學碩士學位論文6構(gòu)元素及其與ECM的粘附的手段。研究人員已經(jīng)證明，張拉整體模型可以重現(xiàn)在活貼壁細胞的機械試驗中觀察到的許多特征，這支持了該概念在細胞力學中的適用性。Hu[37,38]等利用該模型發(fā)現(xiàn)細胞剛度與收縮應力的增加成正比。Maniotis[39]用整合素包覆的微管推拉顯示了細胞骨架和細胞核的協(xié)調(diào)變形，表明了細胞骨架絲從細胞表面到細胞核的連接性。微管可以攜帶大型壓縮加載[40]，反過來平衡細胞骨架預應力的很大一部分，以及中間絲，在大的力作用下對細胞的收縮性起重要作用，促進細胞表面和細胞核之間的負荷轉(zhuǎn)移[41]。但是，由于離散的張拉整體并沒有考慮到細胞的其他主要組成部分，如皮層膜、細胞質(zhì)和細胞核，因此，細胞張拉整體模型更適用于細胞骨架的靜態(tài)特性研究。有限元建模在細胞力學研究中特別有用，特別是在預測活細胞在生理相關的時間和空間尺度上的響應問題和在加載條件或機械響應無法通過實驗輕易量化時。所以，隨后就有學者開發(fā)了包含張拉整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖1-2所示。McGarry和Prendergast[42]建立了基于張拉整體結(jié)構(gòu)的有限元模型來描述預應力CSK的微管和肌動蛋白絲。在理想的幾何結(jié)構(gòu)中，該模型還包含了其他被認為在結(jié)構(gòu)上具有重要意義的細胞成分：細胞質(zhì)、細胞核核膜成分，如圖1-2（a）所示。通過施加外力獲得的結(jié)果表明，細胞骨架在決定細胞的剛度方面起著關鍵重要。（a）（b）圖1-2張拉整體結(jié)構(gòu)的有限元模型[42,43]。（a）包含連續(xù)介質(zhì)成分的模型；（b）僅包含離散介質(zhì)成分的模型進一步的參數(shù)研究表明，細胞質(zhì)的物質(zhì)性質(zhì)（彈性和壓縮性）對細胞的剛度也有一定的影響。由于細胞骨架能通過中心體或核膜表面連接蛋白直接與細胞核進行連
第二章模型的設計與建立9第二章模型的設計與建立2.1細胞、細胞核及骨架結(jié)構(gòu)2.1.1細胞與細胞骨架細胞是由大量不同成分共同組成的具有高度復雜的結(jié)構(gòu)的生命體，圖2-1所示的即為真核細胞的結(jié)構(gòu)圖。而細胞力學則是眾多生物細胞功能運作的核心所在。從機械的角度來看，由微絲、中間絲和微管所組成的細胞骨架（CSK）在維持細胞穩(wěn)定中起著至關重要的作用，其構(gòu)成的一系列的可收縮的絲狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，遍布在整個細胞體內(nèi)。細胞通過細胞骨架結(jié)構(gòu)的剛度和骨架流變學以及細胞主動對外部環(huán)境產(chǎn)生的機械相互作用來共同維持生存所必需的執(zhí)行的各種功能。細胞的形態(tài)、機械強度和完整性，以及收縮、遷移、有絲分裂或聚合等機械相關的過程，都是由細胞骨架的結(jié)構(gòu)調(diào)控所決定的。細胞的這些生命活動過程都是通過骨架成分的動態(tài)解聚和聚合來完成。所以，細胞骨架是細胞重要的機械作用承受體，負責維護細胞結(jié)構(gòu)的完整性和剛度。圖2-1真核細胞的結(jié)構(gòu)[49]在細胞內(nèi)，細胞骨架由數(shù)種乃至數(shù)十種蛋白質(zhì)，而且，在不同類型的細胞間又有所差異。細胞骨架的主要成分是由三大家族蛋白質(zhì)聚集形成的三種微絲結(jié)構(gòu)，分別是：肌動蛋白絲、中間絲和微管。這些微絲構(gòu)成的網(wǎng)絡充滿了除了細胞核及細
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