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几类细胞的生物力学实验研究
中文名称: 几类细胞的生物力学实验研究
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论文编号: 3045006收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Studies on the Biomechanical Experiments for Some Kinds of Cells
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 固体力学
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 细胞 生物力学 细胞生物力学 应变张量 剪切流动 水牛卵母细胞透明带 人肺腺癌细胞传代细胞株(A549) 增殖率响应系数
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论文简介:细胞(cell)是生命的实体和生命的基本单位,几乎所有的有机体都是由细胞和细胞的产物所组成。对细胞力学的研究是近十几年来生物力学领域中迅速发展起来的一个前沿课题。众所周知,细胞的形态结构及其功能,细胞的生长、发育、成熟、癌变、增殖、衰老以及死亡,细胞的分化及其调控机理,都和力学有着密切的关系。高技术发展到今天,不但使人们可以看到微观层次的结构形态,而且可以在这一微观层次上操作、控制和测量材料变化过程。如,高倍光学显微镜和显微操作仪的应用,使人们抓住细胞,并测量细胞的物理特性,如红细胞、白细胞、内皮细胞变形的研究,生物大分子与细胞黏附力的研究,存在于细胞内、细胞之间的力学一生化耦合。 细胞力学实验技术的发展推动了细胞力学的研究,同时也提出了许多新的问题。诸如,细胞实验装置的力学问题的理论分析,在不同实验条件下细胞力学模型的应用等。这些既有复杂又有相当具体的问题是生物力学工作者必须面对,并逐一加以解决的。作者对几类细胞的生物力学实验的几个方面问题做了一些理论和实验研究,取得了一些成果。如,微管吸吮技术和内含不可压缩流体弹性球壳模型在动物卵母细胞透明带杨氏模量研究中的应用等。具体的工作为如下几方面: 1.从细胞的一种力学模型一液滴模型(dropletmodel)研究、说明了一类细胞在微管准静吸吮过程出现的失稳问题。采用一定的数一力学近似,导出了细胞准静吸吮过程中,失稳点和失稳临界吸附压强与细胞液滴模型参数、微管内半径的关系式。并与DerganicJ等的严格数字计算解比较,在实际应用范围内是符合得相当好的。 2.传统的、较为简单易行的底部附着拉伸法实验已广泛应用于力学刺激引发的细胞多方面响应研究,而目前对细胞在实验过程的应变张量缺乏定量的理论分析。根据细胞加载实验中,成骨类细胞黏附在基底(substrate)的几何形态特征,定量地分析了细胞应变张量与实验装置加载参数的关系,给出了细胞铺展面足够大时,细胞应变张量趋于均匀的极限值——特征张量。引入一个场变量来描述一般情况下细胞应变张量的非均匀性,并导出参数的变化范围与细胞形态几何参数的关系。专家评价:该研究填补了一项空白,理论分析是可靠的、可行的,对今后的这类实验有一定的指导意义。 3.应变加载设备对细胞拉伸加载的同时,由于培养液的来回流动,细胞会受到流体剪切力的作用。这作用与细胞加载应变相比在不同的加载设备中是否可忽略,这是一个没能很好解决的问题。根据细胞加载系统的工作原理、结构参数和通常成骨类细胞循环加载的幅度、频率范围,由Navier-Stokes方程导出描述加载系统培养液相对基底材料或细胞的近似流动方程,解出了现流行单、双向平面拉伸系统和四点弯梁拉缩系统工作过程培养液的流速场分布,及对细胞的剪切流动分布,并做比较。结果表明:所有系统的剪切流动在中点均为零,随其与中点的距离和加载幅度近成正比增加;四点弯梁拉缩系统的流速场确实比单、双向平面拉伸系统的大得多。Owan,I等用他们的实验装置证实剪切流动对成骨细胞的非胶原蛋白分泌物的mRNA指标促进作用甚至大于拉伸应变,但是他们无法给出具体的剪切流动数据。根据近似流体剪切流动分布,估算该实验细胞所受剪应力的平均幅度,结果与其它对同类细胞流变加载的实验数据吻合。本文的研究为在用上述设备做细胞加载时,区分应变和剪切流动对细胞的刺激影响或研究两量的耦合效应提供了定量的理论参考。 4.利用微管吸吮技术研究我国沼泽型水牛卵母细胞被动变形特性。经过反复试验,摸索出一种测量水牛卵母细胞透明带(zonapellucida)杨氏弹性模量的实验方法:选择吸吮微管的内直径为透明带厚度的两倍至卵母细胞直径的三分之一的范围内;用各向同性、内含不可压缩流体球壳模型描述透明带受微管准静吸吮的行为;根据固体本构方程推导出一个相关的实验计算公式。用这种方法,在摄氏24~26℃下测量了二十个成熟的水牛卵母细胞透明带的杨氏弹性模量,发现该量在相当大的变形范围内变化不大,平均值为0.22个大气压,离散度小于30%,反映透明带具有较好的线弹性特点。因为真兽亚纲动物卵母细胞的形态结构有极大的相似性,该方法适用于许多动物卵母细胞透明带杨氏弹性模量的测量,为进一步从力学角度了解动物卵母细胞透明带的生物学功能,生化、物理性质变化提供了一个有效的途径。 5.用Flexercell-4000TTM加载系统,对人肺腺癌细胞传代细胞株(A549)进行模拟正常生理力学环境的机械拉伸实验,观察4小时内连续力学刺激对细胞增殖率的作用。发现时间0.5小时,增殖率响应系数M(%)=18%;1小时,M(%)=22%;4小时,M(%)=5%。结果表明,短期力学加载对细胞的增殖有促进作用,在加载循环为1800次左右,A549细胞增殖率响应系数有一峰值。这一特征与成骨类细胞的短期加载响应行为相似。用间歇刺激方式对细胞长期加载,结果细胞增殖率大大提高,说明间歇式加载是加速细胞生长的长期有效的方法。而过去的一些研究结果表明长期连续加载不仅未能促进细胞生长,反而有抑制作用。
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