细胞在变窄微通道中的运动、变形和聚集的数值研究

论文摘要

细胞力学特性的变化不仅是导致某些疾病的原因,也可能是某些疾病状态的生物标志物。近几年来,具有内置收缩的微流体装置已被广泛用于测量细胞的力学特性。研究发现,这种装置的通过时间(定义为细胞通过收缩部位所花费的时间)可以衡量细胞的运动,是一种与细胞的力学特性相关的关键因素。在本文中,我们用一种基于粒子的方法,光滑耗散粒子动力学(SDPD)来探究细胞的通过时间与其力学特性之间的关系。根据我们的模拟数据,分别得到了细胞的通过时间关于变窄微通道的收缩尺寸,细胞的剪切模量和弯曲模量的三个表达式。我们发现具有收敛性收缩(入口比出口宽)和发散性收缩(入口比出口窄)的微通道能更好地识别细胞通过的时间的差异。此外,随着细胞剪切模量的增加,通过时间增加并逐渐接近常数;但是随着弯曲模量的增加,通过时间先增加后减小。这些关系可能是利用微流体控制装置来测量细胞力学特性的基础,进而我们研究这种推荐的微流体芯片设计并检查其在性能方面的潜力。我们发现细胞通过这种变窄微通道的时间对其剪切模量和弯曲模量同时具有依赖性,同时沿流体流动方向(串行化)延长单个变窄的微通道,然后检查芯片对细胞力学特性的敏感性。接下来,我们研究了流体速度对细胞通过时间的影响,并测试了芯片识别多个具有不同力学特性的异质细胞的能力。结果表明,芯片的串行化可以极大地提高芯片对细胞力学特性的敏感性;提高流体的流速不仅有助于增大芯片的通量,而且有助于更准确地测量细胞的通过时间,因为细胞更倾向于高流速下的对称变形;我们推荐的微流体控制芯片能够识别异质细胞,即使只包含一个不健康的细胞。血栓的形成是一个复杂且多步骤的过程,在这项研究中,我们主要关注它的两个关键步骤,(i)血小板粘附在血管壁上,称为血小板的粘附,(ii)血小板聚集在一起并停留在那些已经粘附在血管壁面的血小板上,称为血小板的聚集。我们分别模拟了血小板的脱离,滚动和牢固粘附三种模式,以及血小板栓塞的形成,瓦解,捕获和巩固。结果表明,脱离模式的键解离主要归因于键断裂的可能性很高,因此所有键都可以完全断裂。然而,在滚动粘附模式中,键解离主要归因于血小板受到来自剪切流或红细胞的强牵引力,导致血小板后缘处的键容易断裂。此外,红细胞在血小板的活动中起了重要作用,例如血小板栓塞的形成,瓦解,捕获和巩固。红细胞对血小板施加的聚集力的合力,在近距离处表现为排斥力,在远距离处表现为吸引力。因此,红细胞可以推动血小板聚集在一起形成栓塞,并带走栓塞的一部分血小板导致其瓦解。血小板也受到来自血管壁的粘附力,极大地影响了血小板栓塞的捕获和巩固。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 史慧欣

导师: 叶挺

关键词: 光滑耗散粒子动力学,红细胞,变窄微通道,微流体控制芯片,血小板,血栓

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 生物学,生物医学工程

单位: 吉林大学

分类号: R318

总页数: 81

文件大小: 19781K

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