力-电驱动微液流动的细胞力学响应

作     者：李朝鑫 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武晓刚

授予年度：2021年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 100101[医学-人体解剖与组织胚胎学] 10[医学] 

主      题：细胞 初级纤毛 微液流动 多孔黏弹性 力传导 力-电驱动 

摘      要：骨骼是一种同时包含固相和液相的孔隙结构,当宏观的骨骼受到力学载荷的作用,微尺度的骨陷窝-骨小管系统（lacunar-canalicular system,LCS）内的骨细胞周围流体的液体通常受到压力和电场的共同作用,而由此引发的流体流动将刺激与流体接触的骨细胞及其附属的初级纤毛和细胞突触等。本文旨在研究在矩形通道和骨陷窝-骨小管系统两种流体环境下的细胞感知到的各种力学信号的分布情况和影响因素。借助Comsol多物理场耦合有限元软件,主要利用有限元分析的方法探讨力电刺激下的多孔黏弹性细胞力学感知作用,并且有利于结合生物力学原理指导骨质疏松、骨关节炎等相关疾病的治疗以及骨损伤后的骨重建等。细胞处于复杂的生理环境之下,附着在细胞表面的初级纤毛被认为是重要的力学信号传感器,其与细胞的代谢、发育、分裂和增殖等生理活动密切相关,为了研究细胞及其初级纤毛在微流体环境下的力传导行为,第二章建立了力-电协同驱动下的矩形微流控通道和含有多孔粘弹性属性的贴壁细胞有限元模型系统。考察了细胞的细胞质和细胞核在振荡层流下的应力、应变、孔隙压力和孔隙流速等力学信号响应,量化研究了初级纤毛作为细胞独特的力学感受器的生物力学行为。为了研究骨陷窝-骨小管系统内流体刺激下的细胞力学信号响应,第三章建立了骨陷窝-骨小管系统内包含细胞质、细胞核、细胞突触、初级纤毛和胶原小丘的细胞模型,考察了力-电驱动骨陷窝-骨小管系统内流体流动时,多孔黏弹性细胞的固相和液相的力学行为。第二章结果表明:细胞在振荡层流下的力学响应表现出和外加力-电驱动载荷相同的震荡规律。渗透率是细胞多孔弹性力学行为的主要影响因素。初级纤毛是细胞主要的力学感受器,细胞可以通过纤毛长度和直径调节其力学感受敏感性（应力影响区域）。随着初级纤毛长度的增大,其纤毛挠曲刚度减小,但是敏感性增大。模型的建立为进一步研究微流体剪切作用下的细胞生长、分化等微观机理提供基础,同时也为检测细胞微结构器（纤毛等蛋白链）的力学性能提供了理论技术支持。第三章的结果表明:细胞突触和初级纤毛都是细胞的力学敏感元件,细胞突触的生长方向和数量也会影响细胞体的力学信号,细胞突触延细胞的长轴方向生长时细胞的力学信号要强于细胞突触延细胞的短轴方向生长的情况,骨小管和细胞突触越多,细胞感知到的力学信号更强烈。胶原小丘的存在强化了细胞突触的力学感知能力,且胶原小丘的弹性模量越大这种效果越好。初级纤毛的力学感知能力表现出位置依赖性的同时却并没有表现出长度方面的依赖性,模型的建立有利于研究细胞微结构对细胞力学的影响。