基于納米針的細(xì)胞穿透技術(shù)及相關(guān)的細(xì)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(shù)的成熟、系統(tǒng)化將對醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)具有重大意義。但是,由于細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,細(xì)胞膜、核被膜的機(jī)械穿透機(jī)理不明確,導(dǎo)致了細(xì)胞的機(jī)械穿孔率不高,DNA傳遞效率低,阻礙了該技術(shù)走向臨床應(yīng)用。在細(xì)胞的針刺實(shí)驗(yàn)中,不能可視化的觀測到細(xì)胞穿孔過程中力在細(xì)胞內(nèi)的傳遞及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化,限制了細(xì)胞機(jī)械穿孔研究的進(jìn)步。構(gòu)建合理的細(xì)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(xì)胞內(nèi)各結(jié)構(gòu)的受力、變形情況,促進(jìn)細(xì)胞機(jī)械穿孔機(jī)制的研究。因此,本文分別建立細(xì)胞膜、核被膜的針刺模型,通過數(shù)值模擬探究納米針機(jī)械作用下細(xì)胞膜、核被膜、細(xì)胞骨架和核纖層之間的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)變形關(guān)系,獲取細(xì)胞膜、核膜在受壓過程中的應(yīng)力變化情況。首先,對細(xì)胞膜的針刺過程進(jìn)行了模擬。以實(shí)驗(yàn)為參照,先分別對不同針尖、膜表面條件進(jìn)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(jìn)行模擬。結(jié)果得出:針尖下壓過程在細(xì)胞膜上存在應(yīng)力分段效應(yīng),第一階段細(xì)胞膜主導(dǎo)受力,應(yīng)力迅速增加,第二階段細(xì)胞骨架主導(dǎo)受力,細(xì)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(xué)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(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

細(xì)胞的張拉整體模型[34]

電子科技大學(xué)碩士學(xué)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(xì)胞的機(jī)械試驗(yàn)中觀察到的許多特征，這支持了該概念在細(xì)胞力學(xué)中的適用性。Hu[37,38]等利用該模型發(fā)現(xiàn)細(xì)胞剛度與收縮應(yīng)力的增加成正比。Maniotis[39]用整合素包覆的微管推拉顯示了細(xì)胞骨架和細(xì)胞核的協(xié)調(diào)變形，表明了細(xì)胞骨架絲從細(xì)胞表面到細(xì)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(xì)胞骨架預(yù)應(yīng)力的很大一部分，以及中間絲，在大的力作用下對細(xì)胞的收縮性起重要作用，促進(jìn)細(xì)胞表面和細(xì)胞核之間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移[41]。但是，由于離散的張拉整體并沒有考慮到細(xì)胞的其他主要組成部分，如皮層膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核，因此，細(xì)胞張拉整體模型更適用于細(xì)胞骨架的靜態(tài)特性研究。有限元建模在細(xì)胞力學(xué)研究中特別有用，特別是在預(yù)測活細(xì)胞在生理相關(guān)的時(shí)間和空間尺度上的響應(yīng)問題和在加載條件或機(jī)械響應(yīng)無法通過實(shí)驗(yàn)輕易量化時(shí)。所以，隨后就有學(xué)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(yù)應(yīng)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(rèn)為在結(jié)構(gòu)上具有重要意義的細(xì)胞成分：細(xì)胞質(zhì)、細(xì)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(xì)胞骨架在決定細(xì)胞的剛度方面起著關(guān)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(jìn)一步的參數(shù)研究表明，細(xì)胞質(zhì)的物質(zhì)性質(zhì)（彈性和壓縮性）對細(xì)胞的剛度也有一定的影響。由于細(xì)胞骨架能通過中心體或核膜表面連接蛋白直接與細(xì)胞核進(jìn)行連

第二章模型的設(shè)計(jì)與建立9第二章模型的設(shè)計(jì)與建立2.1細(xì)胞、細(xì)胞核及骨架結(jié)構(gòu)2.1.1細(xì)胞與細(xì)胞骨架細(xì)胞是由大量不同成分共同組成的具有高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的生命體，圖2-1所示的即為真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)圖。而細(xì)胞力學(xué)則是眾多生物細(xì)胞功能運(yùn)作的核心所在。從機(jī)械的角度來看，由微絲、中間絲和微管所組成的細(xì)胞骨架（CSK）在維持細(xì)胞穩(wěn)定中起著至關(guān)重要的作用，其構(gòu)成的一系列的可收縮的絲狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，遍布在整個細(xì)胞體內(nèi)。細(xì)胞通過細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的剛度和骨架流變學(xué)以及細(xì)胞主動對外部環(huán)境產(chǎn)生的機(jī)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(xì)胞的形態(tài)、機(jī)械強(qiáng)度和完整性，以及收縮、遷移、有絲分裂或聚合等機(jī)械相關(guān)的過程，都是由細(xì)胞骨架的結(jié)構(gòu)調(diào)控所決定的。細(xì)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(xì)胞骨架是細(xì)胞重要的機(jī)械作用承受體，負(fù)責(zé)維護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性和剛度。圖2-1真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)[49]在細(xì)胞內(nèi)，細(xì)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(xì)胞間又有所差異。細(xì)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(luò)充滿了除了細(xì)胞核及細(xì)


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