本文關(guān)鍵詞： 幾類 生物 納米 面的 粘附 接觸　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：粘附接觸力學(xué)作為固體力學(xué)中一個(gè)重要的分支,在自然界的演化以及人類發(fā)展進(jìn)程中有著非常廣泛的應(yīng)用:如機(jī)械結(jié)構(gòu)的接觸咬合、輪軌接觸、動(dòng)植物的攀爬、功能涂層等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)粘附接觸問(wèn)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(xì)胞粘附、納米顆粒的藥物運(yùn)輸?shù)壬锛{米系統(tǒng)。本文針對(duì)幾類典型生物納米界面的粘附接觸問(wèn)題,以球形顆粒與彈性基底的接觸模型以及分子鍵介導(dǎo)的界面粘附模型兩個(gè)方面為切入點(diǎn)進(jìn)行研究。對(duì)于經(jīng)典的剛性小球與柔性基底接觸的Johnson-Kendall-Roberts(JKR)模型,當(dāng)小球尺寸減小到數(shù)百納米甚至幾納米時(shí),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(duì)溫度),受熱波動(dòng)的影響,納米顆粒與表面粘附將呈現(xiàn)出明顯的隨機(jī)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(kuò)散過(guò)程,并用粘附狀態(tài)的概率密度分布來(lái)表征隨機(jī)的粘附狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,我們探討了雙納米顆粒隨機(jī)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(xué)方法。對(duì)于分子鍵介導(dǎo)的生物界面粘附,我們建立了相關(guān)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(xué)響應(yīng)。通過(guò)預(yù)測(cè)界面間分子鍵狀態(tài)的時(shí)空分布演化,我們發(fā)現(xiàn)界面分離過(guò)程中存在明顯的率相關(guān)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(yīng),遲滯效應(yīng)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(xì)胞與胞外基質(zhì)的粘附和脫粘,以及細(xì)胞粘附介導(dǎo)的細(xì)胞遷移。我們?cè)诜肿渔I介導(dǎo)的內(nèi)聚力模型基礎(chǔ)上建立了跨尺度的膜-基底剝離模型,分子鍵狀態(tài)在整個(gè)界面范圍進(jìn)行時(shí)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(gè)分子鍵發(fā)生解離,即使在低于傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)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(duì)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(fù)合介導(dǎo)的界面力學(xué)問(wèn)題。這一問(wèn)題中,界面的動(dòng)力學(xué)過(guò)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(yùn)用蒙特卡洛方法模擬了這一耦合系統(tǒng)的界面分離過(guò)程。由于逆鎖鍵解離和纖粘蛋白解折疊的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng),該復(fù)合界面呈現(xiàn)出很強(qiáng)的率敏感性。界面應(yīng)力的空間不均勻?qū)е鲁叽缧?yīng)、模量效應(yīng)和形狀效應(yīng)。纖粘蛋白解折疊可以有效降低局部應(yīng)力的機(jī)制可用于調(diào)控界面應(yīng)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(fù)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(dǎo)致粘附強(qiáng)度在JKR和DMT兩個(gè)經(jīng)典結(jié)果之間光滑過(guò)渡,強(qiáng)度本身呈現(xiàn)負(fù)一次方的尺度律。同時(shí),在球和基底的準(zhǔn)靜態(tài)分離-靠近過(guò)程中將發(fā)生固-液復(fù)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(yīng)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.1;O647.4

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