【摘要】：細(xì)胞力學(xué)特性的變化不僅是導(dǎo)致某些疾病的原因,也可能是某些疾病狀態(tài)的生物標(biāo)志物。近幾年來(lái),具有內(nèi)置收縮的微流體裝置已被廣泛用于測(cè)量細(xì)胞的力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn),這種裝置的通過(guò)時(shí)間(定義為細(xì)胞通過(guò)收縮部位所花費(fèi)的時(shí)間)可以衡量細(xì)胞的運(yùn)動(dòng),是一種與細(xì)胞的力學(xué)特性相關(guān)的關(guān)鍵因素。在本文中,我們用一種基于粒子的方法,光滑耗散粒子動(dòng)力學(xué)(SDPD)來(lái)探究細(xì)胞的通過(guò)時(shí)間與其力學(xué)特性之間的關(guān)系。根據(jù)我們的模擬數(shù)據(jù),分別得到了細(xì)胞的通過(guò)時(shí)間關(guān)于變窄微通道的收縮尺寸,細(xì)胞的剪切模量和彎曲模量的三個(gè)表達(dá)式。我們發(fā)現(xiàn)具有收斂性收縮(入口比出口寬)和發(fā)散性收縮(入口比出口窄)的微通道能更好地識(shí)別細(xì)胞通過(guò)的時(shí)間的差異。此外,隨著細(xì)胞剪切模量的增加,通過(guò)時(shí)間增加并逐漸接近常數(shù);但是隨著彎曲模量的增加,通過(guò)時(shí)間先增加后減小。這些關(guān)系可能是利用微流體控制裝置來(lái)測(cè)量細(xì)胞力學(xué)特性的基礎(chǔ),進(jìn)而我們研究這種推薦的微流體芯片設(shè)計(jì)并檢查其在性能方面的潛力。我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞通過(guò)這種變窄微通道的時(shí)間對(duì)其剪切模量和彎曲模量同時(shí)具有依賴性,同時(shí)沿流體流動(dòng)方向(串行化)延長(zhǎng)單個(gè)變窄的微通道,然后檢查芯片對(duì)細(xì)胞力學(xué)特性的敏感性。接下來(lái),我們研究了流體速度對(duì)細(xì)胞通過(guò)時(shí)間的影響,并測(cè)試了芯片識(shí)別多個(gè)具有不同力學(xué)特性的異質(zhì)細(xì)胞的能力。結(jié)果表明,芯片的串行化可以極大地提高芯片對(duì)細(xì)胞力學(xué)特性的敏感性;提高流體的流速不僅有助于增大芯片的通量,而且有助于更準(zhǔn)確地測(cè)量細(xì)胞的通過(guò)時(shí)間,因?yàn)榧?xì)胞更傾向于高流速下的對(duì)稱變形;我們推薦的微流體控制芯片能夠識(shí)別異質(zhì)細(xì)胞,即使只包含一個(gè)不健康的細(xì)胞。血栓的形成是一個(gè)復(fù)雜且多步驟的過(guò)程,在這項(xiàng)研究中,我們主要關(guān)注它的兩個(gè)關(guān)鍵步驟,(i)血小板粘附在血管壁上,稱為血小板的粘附,(ii)血小板聚集在一起并停留在那些已經(jīng)粘附在血管壁面的血小板上,稱為血小板的聚集。我們分別模擬了血小板的脫離,滾動(dòng)和牢固粘附三種模式,以及血小板栓塞的形成,瓦解,捕獲和鞏固。結(jié)果表明,脫離模式的鍵解離主要?dú)w因于鍵斷裂的可能性很高,因此所有鍵都可以完全斷裂。然而,在滾動(dòng)粘附模式中,鍵解離主要?dú)w因于血小板受到來(lái)自剪切流或紅細(xì)胞的強(qiáng)牽引力,導(dǎo)致血小板后緣處的鍵容易斷裂。此外,紅細(xì)胞在血小板的活動(dòng)中起了重要作用,例如血小板栓塞的形成,瓦解,捕獲和鞏固。紅細(xì)胞對(duì)血小板施加的聚集力的合力,在近距離處表現(xiàn)為排斥力,在遠(yuǎn)距離處表現(xiàn)為吸引力。因此,紅細(xì)胞可以推動(dòng)血小板聚集在一起形成栓塞,并帶走栓塞的一部分血小板導(dǎo)致其瓦解。血小板也受到來(lái)自血管壁的粘附力,極大地影響了血小板栓塞的捕獲和鞏固。
【圖文】：

小板還可以在其膜上產(chǎn)生 GP IIb-IIIa 受體[52], 其通常由叫做纖維蛋白原(Fg)的血漿蛋白橋接, 因此, 形成 GP IIb-IIIa - Fg - GP IIb-IIIa 的分子鍵, 這允許其他血小板聚集到已經(jīng)粘附在基質(zhì)的血小板上, 導(dǎo)致血小板聚集并形成血小板栓塞, 如圖1.1所示。圖 1.1 微管道中血栓周?chē)“逭掣胶途奂氖疽鈭D, 其中粘附和聚集鍵由受體和配體所支配的鍵連接而成。目前人們已經(jīng)做出了相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)來(lái)定義血小板粘附和聚集的分子機(jī)制, 包括這些受體用于調(diào)節(jié)血小板粘附和聚集的主要的信號(hào)傳導(dǎo)途徑, 例如發(fā)現(xiàn)受體 GP Ib 和vWF [53]的結(jié)合與血小板的聚集有關(guān), 而 GP IIb-IIIa 可能有助于血小板與 vWF 的粘附[54]。越來(lái)越多的研究結(jié)果表明粘合劑和骨料鍵的形成很大程度上受到血流的剪切應(yīng)力的影響; 在低剪切應(yīng)力下, 例如在靜脈和大動(dòng)脈中, 血小板粘附主要涉及其與膠原蛋白和纖維蛋白的結(jié)合; 而在高剪切應(yīng)力下, 例如在微血管或狹窄的動(dòng)脈中

圖 3.1 (a) 細(xì)胞在具有梯形收縮特點(diǎn)的狹窄微通道的模擬裝置, 其中 dx, dy和 dz描述了微通道的尺寸, d1, d2和 Ls描述了狹窄部分的尺寸。(b) 模擬域的橫截面的粒子示意圖, 其中包括四種類型的粒子, 流體粒子(圓形), 膜粒子(正方形), 排斥粒子(菱形)和虛擬粒子(三角形)。§3.1驗(yàn)證我們用兩個(gè)驗(yàn)證研究來(lái)證明我們的模型和方法的可靠性, 第一個(gè)是流過(guò)狹窄的微通道的球形膠囊的變形, 第二個(gè)是流過(guò)狹縫的雙凹形紅細(xì)胞的變形。在第一個(gè)驗(yàn)證中, 微通道尺寸為 dx dy dz= 50 10 10μm3, 收縮尺寸為d1= d2= 2.5μm, Ls= 5μm, 膠囊半徑為 R = 2.5μm, 剪切模量 ES= 2.5 106N/m彎曲模量 EB= 2.0 1019J, 外部加速度設(shè)為 g = (70, 0, 0) m/s2, 在沒(méi)有細(xì)胞的情況下, 微通道不收縮的部分產(chǎn)生的平均速度為 vm= 2.5mm/s, 且 Ca = 0.1, 除彎曲模
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：R318

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