生物现象中的几个力学问题.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中国力学学会,青年学术沙龙第三十二次活动,2007年1月31,日,生物现象中的几个力学问题,报告人：陈少华,(,S.Chen),中科院力学所,LNM,室,合作者：,Prof.H.,Gao,（Brown University）,2007年1月31,日于力学所,生物材料的缺陷非敏感尺度,细胞方向重新排列,生物分子对环境变化的敏感性,壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附,小结,内容,:,1,、生物材料的缺陷非敏感尺度,骨头、木头、牙齿等自然生物材料容忍许多尺度的裂纹缺陷,1,、生物材料的缺陷非敏感尺度,Gao,H.,Chen S.,J.,Appl,.Mech.,2005,72,732,1,、生物材料的缺陷非敏感尺度,Griffith model:,Flaw tolerance size:,Gao,H.,Chen S.,J.,Appl,.Mech.,2005,72,732,1,、生物材料的缺陷非敏感尺度,Dugdale,model:,1,、生物材料的缺陷非敏感尺度,Diamond Bio-mineral:,生物材料的缺陷非敏感尺度,细胞方向重新排列,(,广义,JKR,及,MD,模型,),生物分子对环境变化的敏感性,壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附,小结,内容,:,Living cells can sense mechanical forces and convert them into biological responses.Similarly,biological and biochemical signals are known to influence the abilities of cells to sense,generate and bear mechanical forces.Details of mechanical,chemical and biological interactions in cells remain elusive.,研究背景,Bao,Suresh,Nature,meterials,2003,2(11),715-725,2,、细胞方向重列问题,After 24h cyclic stretch,the cells in the control cultures,left column,have no apparent preferential orientation;The 4%stretch clearly reduced the number of cells oriented in the stretch direction;This effect increased at 8%and 12%stretches.,C.,Neidlinger,-,Wilke,et al.,J.of,Orthopaedic,Research,2001,19,286,研究背景,2,、细胞方向重列问题,After 3 h of 10%pure uniaxial stretching,the cells reoriented perpendicular to the initial stretching direction,J.H.-C.Wang,et al.J.,Biomech,.2001,34,1563,研究背景,2,、细胞方向重列问题,Gang,Bao,J.Mech.,Phy,.Solids,2002,50,2237;,Bausch et al.,1998,Biophysical Journal,75,2038,细胞与细胞外介质的特殊粘结,Schematic,drawing of a,fiberonectin,-coated bead that is coupled to the cell cytoskeleton via,integrins,.,2,、细胞方向重列问题,Chu,et al.,PRL,2005,Substrate,Cylinder,e,2,、细胞方向重列问题,A、,二维广义,JKR,模型,S.Chen,H.,Gao,2006,Proc.R.Soc.,Lond,.A 462,211228.,目的：拉应变如何影响接触面积？,A1）,一般情况的解：,位移连续条件：,格林方程：,2,、细胞方向重列问题,S.Chen,H.,Gao,2006,Proc.R.Soc.,Lond,.A 462,211228.,界面应力：,奇异指数：,应力强度因子：,Griffith,准则：,A1）,一般情况的解：,2,、细胞方向重列问题,A2）,非振荡解,应力强度因子：,控制方程：,解析解：,非振荡条件：,2,、细胞方向重列问题,整个实验过程分为三个阶段；存在两个临界外载幅值，控制细胞方向的重新排列。,2,、细胞方向重列问题,A3）,结果分析,Substrate,Cylinder,封闭解：,2,、细胞方向重列问题,A3）,结果分析,B、,广义,MD,模型：,S.Chen,H.,Gao,2006,Int.J.Mater.Res.97,584-593.,生物材料的缺陷非敏感尺度,细胞方向重新排列,生物分子对环境变化的敏感性,(2,D,及3,D,模型,),壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附,小结,内容,:,Receptor,ligand,binding can be affected by protein deformation.(a)A good conformational match between the receptor and,ligand,leads to strong binding and reaction.(b)When the receptor deforms under force,the binding affinity decreases due to poor conformational match.,Gang,Bao,J.Mech.,Phy,.Solids,2002,50,2237,3,、生物分子或细胞的环境变化敏感性,研究背景,A、,三维模型,3,、生物分子或细胞的环境变化敏感性,S.Chen,H.,Gao,2006,J.Mech.Phys.Solids 54,1548-1567.,近似解：,3,、生物分子或细胞的环境变化敏感性,A1）,结果分析,S.Chen,H.,Gao,2006,J.Mech.Phys.Solids 54,1548-1567.,失配应变对拉脱过程的影响,3,、生物分子或细胞的环境变化敏感性,A1）,结果分析,失配应变与拉脱力的关系,3,、生物分子或细胞的环境变化敏感性,A1）,结果分析,A2）,能量分析,给定失配应变情况下，整个黏附能量：,表面能的变化：,弹性能的变化：,3,、生物分子或细胞的环境变化敏感性,A,B,F,F,A3）,黏附控制的形变感应器,3,、生物分子或细胞的环境变化敏感性,S.Chen,H.,Gao,2006,Int.J.Solids,Struct,.,(in the Press),B、,二维模型,生物材料的缺陷非敏感尺度,细胞方向重新排列,生物分子对环境变化的敏感性,壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附,小结,内容,:,Autumn et al.,(2000,2002)；Huber et al.(2005);Gao,et al.(2005),研究背景,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,Hierarchical,fibrillar,structure,The toy(15 cm high;weighing 40 g)has its hand covered with the,microfabricated,gecko tape,which provides a 0.5 cm,2,contact with the glass and a carrying capacity of 100 g.,Geim,A.K.et al.,(2003)Nat.mater.2,461-463.,研究背景,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,研究背景,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,研究背景,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,Gao,et al.,2005,Mech.Mater.37,275-285.,研究背景,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,Yao and,Gao,2006,J.Mech.Phys.Solids 54,1120-1146.,各向异性广义,JKR,模型,Rigid cylinder,Isotropic plane,Transversely isotropic,elastic half space,接触模型,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,S.Chen,H.,Gao,2006,J.Mech.Phys.Solids,(in press),考察 与 的关系，如何影响拉脱力及,黏附强度的大小？,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,横观各向同性体,Barnett-,Lotte,张量：,S.Chen,H.,Gao,2006,J.Mech.Phys.Solids,(in press),格林方程：,系数与材料常数相关：,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,接触模型的解,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,最终控制方程,系数：,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,结果分析,影响拉脱过程的参数,Rigid cylinder,Isotropic plane,Transversely isotropic,elastic half space,考察 与 的关系，如何影响拉脱力及黏附强度的大小？,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,结果分析,stiff-adhere and soft-release,4,、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附,结果分析,stiff direction：,soft direction：,利用简单的模型讨论了生物材料的缺陷不敏感概念及相关尺度。,建立了二维广义,JKR,及广义,MD,模型：发现外界应变存在两个临界值将脱黏过程分为三个阶段，与细胞重新排列方向的过程非常相似，提供了解释的可能性。,建立了二维及三维广义,JKR,模型，分析了环境压力、温度的变化对生物分子之间黏附的影响。,建立了各向异性广义,JKR,模型，解释了壁虎、蚱蜢等昆虫通过黏附与脱黏的交替，实现自由运动的机理：刚度大的方向黏附强度最强，刚度小的方向黏附强度最弱。改变角度实现黏附及脱黏的交替。,小结,致谢,感谢,2003,年,2005年,Max Planck Visiting Scientist Fellowship,及国家自然科学基金,No.10672165,的支持,。,Thanks,for,your,attention!,