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细胞力学实验涉及到细胞在载荷作用下细胞、细胞膜的变形、弹性常数、内压、应力应变等相关力学性能的研究。随着细胞加载方法和测量手段的发展,微观实验可以直接测出细胞的变形和内压,结果真实可靠;但缺点在于不同实验间的结果可比性差,且对于应力应变等影响细胞功能的重要力学特性无法进行测量。针对这一问题,本文建立了细胞的有限元模型,利用数值方法对细胞在挤压下的变形情况进行了仿真,研究了在不同探压方法、或不同初始内压、几何和物理参数下,模型内压、主应力、主应变以及总压力的变化规律。该研究补充了微观实验的部分不足,对总结实验数据规律有参考意义。
本文中,采用二相模型,由有限单元来模拟细胞膜,由细胞膜内表面法向面力来模拟内部液体作用,进行了细胞挤压计算,结论如下:单细胞挤压算例中,平板压缩模型压缩刚度较球形探头探压模型大,且模型主应力、总压力增长幅度较球形探头探压算例大很多。双细胞挤压算例中,不同初始内压的模型的内压和主应力随压缩量的增加同步增大并趋于一致;不同弹性模量的模型弹性模量较大的模型内压和主应力增幅较大,弹性模量26.7MPa与21.36MPa两模型在压缩量到达整体模型高度的35%左右时,两模型的主应力接近相等;不同初始半径的模型,初始半径较小的模型内压和主应力增幅较大,初始半径50μm和40μm的两模型当压缩量到达模型高度的40%左右时,两模型的主应力趋于相等;三细胞的挤压算例中,相邻的两个初压不等的模型,其内压、主应力变化情况和与其初压数值对应的两个模型挤压算例结果不仅规律相同,甚至在数值上也达到一致。相邻的两个初压相等的模型,其内压、主应力变化情况和与其初压数值对应的两个模型挤压算例结果规律相同。在挤压算例中,三模型整体刚度较两模型小。
本文的创新点是:讨论了不同探压方式下细胞的压缩刚度非线性问题;研究了初始内压、几何和物理参数的变化对模型内压、主应力、主应变以及总压力变化规律的影响;多细胞挤压算例中相邻细胞模型的力学特性变化规律。