阿米巴细胞迁移模式的数值方法及仿真

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阿米巴迁移模式的细胞迁移伴随着生物体整个生命过程,无论是胚胎的发育,还是疾病的发生都离不开细胞的迁移行为;而阿米巴迁移模式的细胞的主要特征是有气泡伪足的伸出,通过产生气泡使细胞体发生易位从而进行迁移行为。所以气泡的发生以及变化是阿米巴细胞迁移模式的重要机制,目前,通过将细胞膜与皮质层质局部发生分离,且对皮质层局部进行生化处理,通过实验可以观察到气泡的形成,但是对于影响这种气泡的大小和形状的力学机理还需要进一步研究。本文在前人研究的基础上,建立了二维流-固耦合细胞模型,通过改变影响细胞力学性质的关键变量,对细胞模型的可靠性和合理性进行分析,主要对细胞气泡现象以及影响气泡伸出的相关参数进行分析和研究。本文的主要研究内容:(1)建立了二维流-固耦合细胞模型,该模型由线弹性的细胞膜,皮质层,膜与皮层之间线弹性链接键,及不可压缩牛顿流体的细胞质组成。引用浸入边界法处理流-固耦合问题,并对细胞膜和皮质层固体结构的算法进行分析和完善。(2)通过细胞无气泡伸出和有气泡伸出的两种情况,对细胞模型的可靠性和合理性进行分析。细胞无气泡伸出时,通过改变细胞质的粘度,皮质层的阻尼系数,细胞膜与皮质层的弹性模量,对细胞内外流场速度和压力,细胞形状变化进行分析;将局部细胞膜与皮质层之间的链接键断开,使得细胞伸出气泡,然后通过改变断开的弧度大小以及局部的皮质层阻尼系数,观察细胞内外流场的速度和压力,以及气泡形态变化。(3)研究气泡形态与断开链接键区域的弧度和改变局部皮质层阻尼系数之间的关系。通过改变断开链接键区域的弧度和皮质层局部阻尼系数,获得不同形态的气泡。研究了细胞形状的变化过程,以及变化过程中细胞膜与皮质层张力改变和影响;通过观察气泡伸出长度,面积改变,探索了气泡的速度与细胞体速度之间的相互影响,并将测得的实验结果与本文数值结果进行对比。本文建立的模型包含了细胞类固体力学特性和类流体力学特性,能够更真实的模拟细胞的力学现象,研究改变过断裂弧度和局部皮质层阻尼系数模拟等参数对气泡形态的影响,有助于深入理解阿米巴细胞迁移模式的气泡伪足的形成机理,也表明该数值方法对于学习气泡的特征是有效的。
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