本文關(guān)鍵詞：應(yīng)用光鑷細(xì)胞操作系統(tǒng)研究細(xì)胞遷移模型及細(xì)胞遷移控制，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：細(xì)胞遷移是一種在大量生理學(xué)和病理學(xué)過程中廣泛存在并扮演重要角色的基本生物學(xué)現(xiàn)象,例如癌細(xì)胞擴(kuò)散,傷口愈合,胚胎發(fā)育過程,等等。細(xì)胞遷移是細(xì)胞趨化性的一種表現(xiàn),細(xì)胞在受到外界信號分子的刺激時會做出朝向或者背離刺激源的自主運(yùn)動。在過去幾十年里,出現(xiàn)了大量關(guān)于細(xì)胞遷移的研究,但是,人們對于隱藏在這個復(fù)雜生物學(xué)過程之下的運(yùn)動機(jī)理仍然所知有限。由于在單細(xì)胞層面缺乏有效的細(xì)胞操作工具,因此阻礙了對于細(xì)胞趨化性的定量研究,這導(dǎo)致了對于細(xì)胞遷移理論的研究和基于細(xì)胞遷移的生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用的開發(fā)嚴(yán)重不足。在這篇論文里,我們提出了一種利用機(jī)器人控制的光鑷操作系統(tǒng)來誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的方法。本文的研究主要集中在如下三個方面： 首先,我們提出了一種利用光鑷的微納操作能力來誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的方法。在這個方法里,我們使用了一種特殊制造的PLGA小球,這種小球在液體環(huán)境里可以緩慢釋放出化學(xué)誘導(dǎo)物分子來形成一個濃度梯度場。光鑷作為一種微型操作器來操作這種PLGA小球,進(jìn)而誘導(dǎo)并控制細(xì)胞遷移。這種方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里模擬了生物活體的環(huán)境,達(dá)到誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的目的。我們設(shè)計并實(shí)施了一系列實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這個方法的有效性。 其次,本文利用如上所述的光鑷操作系統(tǒng)研究了細(xì)胞遷移的機(jī)理。我們首先設(shè)計了一種獨(dú)特的方法來測量細(xì)胞遷移過程中的遷移力的大小。之后,我們建立了細(xì)胞遷移的模型,分為兩個方面：一,分析了細(xì)胞遷移過程中所受到的力,并建立了細(xì)胞的動力學(xué)模型；二,分析了細(xì)胞遷移過程中內(nèi)部的微絲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的變化,建立了解釋細(xì)胞運(yùn)動速度與濃度梯度之間關(guān)系的理論模型。綜合如上所述兩個方面,可以了解濃度梯度這個細(xì)胞遷移的刺激信號對于細(xì)胞內(nèi)部變化的影響,以及如何影響細(xì)胞所能產(chǎn)生的力和速度。這個模型首次闡釋了濃度梯度對于細(xì)胞遷移運(yùn)動性的影響,進(jìn)一步加深了人們對于細(xì)胞遷移機(jī)理的理解。 最后,本文建立了一種基于機(jī)器人輔助光鑷的細(xì)胞遷移控制系統(tǒng)。這個控制系統(tǒng)利用了細(xì)胞的趨化性及其運(yùn)動特性,綜合了光鑷操作的特點(diǎn)以及藥物小球誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的特殊性。建立了一個幾何模型,并設(shè)計了一個統(tǒng)一的、有界的、全局漸近穩(wěn)定的控制器。利用這個控制器,誘導(dǎo)物PLGA小球被控制在細(xì)胞附近來誘導(dǎo)細(xì)胞遷移并向目標(biāo)點(diǎn)收斂,同時可以避免操作過程中的碰撞。這一自動誘導(dǎo)細(xì)胞遷移系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞遷移的自動控制,對于未來基于細(xì)胞遷移的生物學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)工程以及臨床研究具有重要的意義。 概括來說,本文提出的基于光鑷的細(xì)胞操作工具提供了一種新的研究細(xì)胞遷移的方法。對于遷移力的測量使得對于細(xì)胞遷移機(jī)理的研究成為可能。細(xì)胞遷移模型首次闡釋了濃度梯度對于細(xì)胞遷移能力的影響,填補(bǔ)了此項研究的空白。細(xì)胞遷移自動控制系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了自動誘導(dǎo)的遷移過程,不僅有利于對遷移的生物學(xué)研究,同時也在基于細(xì)胞遷移的生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用方面走出了第一步。本文將幫助人們更加深入地理解細(xì)胞遷移這一復(fù)雜的生物現(xiàn)象,也為未來的靶向治療奠定了基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：細(xì)胞遷移 光鑷 趨化性 濃度梯度 遷移模型 遷移控制
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：Q25
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• Chapter 1 Introduction17-23
• 1.1 Background17-18
• 1.2 Statement of the Problems18-20
• 1.3 Research Objectives20
• 1.4 Methodology and Significance20-22
• 1.5 Conclusion22-23
• Chapter 2 Literature Review23-47
• 2.1 Introduction23
• 2.2 Optical Tweezers23-29
• 2.2.1 Principle of Optical Tweezers24-26
• 2.2.2 Holographic Optical Tweezers26-27
• 2.2.3 Applications of Optical Tweezers in Biology27-29
• 2.3 Cell Migration29-38
• 2.3.1 Traditional Methods for Cell Migration Research30-32
• 2.3.2 Novel Technologies for Cell Migration Research32-36
• 2.3.3 Cell Migration Model36-38
• 2.4 Multirobot Controls38-46
• 2.4.1 Multirobot Formation38-40
• 2.4.2 Multirobot Navigation40-42
• 2.4.3 Automatic Micro-scale Manipulation42-46
• 2.5 Conclusion46-47
• Chapter 3 Development of Cell Migration Model47-70
• 3.1 Introduction47-48
• 3.2 Measurement of Protrusion Force48-63
• 3.2.1 Principle of Chemoattractant-induced Cell Migration48-49
• 3.2.2 Principle of Protrusion Force Measurement49-51
• 3.2.3 Experiments51-63
• 3.2.3.1 Experimental Setup51-52
• 3.2.3.2 Cell Culture and Reagents52-53
• 3.2.3.3 Calibration of Optical Tweezers53-54
• 3.2.3.4 Chemoattractant-Induced Cell Migration54-56
• 3.2.3.5 Measurement of Fc56-58
• 3.2.3.6 Measurement of Protrusion Force58-62
• 3.2.3.7 Numerical Prediction of Chemoattractant Gradient62-63
• 3.3 Dynamic Model63-68
• 3.3.1 Theoretical Model Development64-66
• 3.3.2 Comparison of Theoretical Model and Experimental Results66-68
• 3.4 Conclusion68-70
• Chapter 4 Integrated Cell Migration Control System70-98
• 4.1 Introduction70-72
• 4.2 Methodology72-75
• 4.2.1 Microsource Beads Induced Cell Migration72-73
• 4.2.2 Concentration Gradient Field Generation73-74
• 4.2.3 Framework of the Manipulation System74-75
• 4.3 Cell Migration Control with Optical Trapped Microsource Beads75-86
• 4.3.1 Modeling of Optical Manipulator and Microsource Beads75-77
• 4.3.2 Modeling of Migrating Cell77-78
• 4.3.3 Microsource Beads Formation78-81
• 4.3.4 Obstacles Avoidante81
• 4.3.5 Controller Design81-86
• 4.4 Simulation86-91
• 4.4.1 Single Bead86-88
• 4.4.2 Multi-Beads88-91
• 4.5 Experiments91-97
• 4.5.1 Cell Culture and Reagents91-92
• 4.5.2 Cell Migration Control with One Bead92-94
• 4.5.3 Cell Migration Control with Multi-Beads94-97
• 4.6 Conclusion97-98
• Chapter 5 Conclusion and Future Work98-101
• 5.1 Conclusion98-99
• 5.2 Future Work99-101
• Chapter 6結(jié)束語101-106
• 6.1 主要工作與貢獻(xiàn)101-103
• 6.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)103
• 6.3 研究前景與展望103-104
• 6.4 研究心得體會104-106
• Reference106-119
• 致謝119-120
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果120-122
• 中文簡介122-125

【共引文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 Bao-Hua Ji;Bo Huo;;Probing the mechanosensitivity in cell adhesion and migration: Experiments and modeling[J];Acta Mechanica Sinica;2013年04期

2 劉璐;張云霞;董欣;劉虎;曾強(qiáng)成;;力學(xué)環(huán)境下成纖維細(xì)胞生物學(xué)響應(yīng)研究[J];德州學(xué)院學(xué)報;2014年02期

3 張曉飛;張洋;譚秋林;孫東;熊繼軍;薛晨陽;;基于石英和載玻片的微電極制備工藝研究[J];傳感器與微系統(tǒng);2014年07期

4 張洋;張曉飛;白國花;方明;譚秋林;熊繼軍;孫東;;用于細(xì)胞排列的介電泳微流控芯片制備與實(shí)驗(yàn)研究[J];分析化學(xué);2014年11期

5 張斌;王靜;宋敏艷;劉學(xué)洪;李楊;史憲偉;;檳榔江水牛ACTA1基因多態(tài)性與生長性狀的相關(guān)性研究[J];中國牛業(yè)科學(xué);2014年06期

6 宋寧寧;張昊;李金波;甄軍暉;高健;;微流控芯片上高電導(dǎo)率介質(zhì)中聚苯乙烯微球的動電分離[J];分析化學(xué);2015年02期

7 張瑞麗;陳子陽;蒲繼雄;;強(qiáng)聚焦混合偏振矢量光束在瑞利粒子上產(chǎn)生的輻射力[J];光子學(xué)報;2015年02期

8 Ning Li;Shouqin Lü;Yan Zhang;Mian Long;;Mechanokinetics of receptor-ligand interactions in cell adhesion[J];Acta Mechanica Sinica;2015年02期

9 肖成茂;蔡紹皙;蔣稼歡;晏小清;;一種新型細(xì)胞趨化遷移微流控通道的構(gòu)建及表征[J];科學(xué)通報;2011年10期

10 Yapu Zhao;;Moving contact line problem: Advances and perspectives[J];Theoretical & Applied Mechanics Letters;2014年03期

  本文關(guān)鍵詞：應(yīng)用光鑷細(xì)胞操作系統(tǒng)研究細(xì)胞遷移模型及細(xì)胞遷移控制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：329048