国家级大学生创新创业训练计划项目申报书.doc

附件3

“本科教学工程”
国家级大学生创新创业训练计划
项目申报书

项 目 名 称：基于原子力学显微镜及有限元模型的肝癌细胞力学性质研究
项 目 完 成 人：
项目指导教师：
项目总负责人：
所在学院（公章）：
起 止 时 间： 年 月 至 年 月

兰州大学教务处 制
填 报 说 明
一、填写申报书之前，项目团队所有成员和指导老师应仔细阅读《兰州大学“本科教学工程”国家级大学生创新创业训练计划管理办法（试行）》，严格按照有关规定执行。鼓励学生跨专业申报项目，促进不同学科之间的交叉融合。
二、项目类别及简述
创新训练项目是本科生个人或团队，在导师指导下，自主完成创新性研究项目设计、研究条件准备和项目实施、研究报告撰写、成果（学术）交流等工作。
创业训练项目是本科生团队，在导师指导下，团队中每个学生在项目实施过程中扮演一个或多个具体的角色，如编制商业计划书、开展可行性研究、模拟企业运行、参加企业实践、撰写创业报告等。
创业实践项目是学生团队，在学校导师和企业导师共同指导下，采用前期创新训练项目（或创新性实验）的成果，提出一项具有市场前景的创新性产品或者服务，以此为基础开展创业实践活动。
三、项目完成人根据实际情况填写2～3人（创业实践项目一般3～5人）；如项目完成人来自不同学院，“项目总负责人”一栏必须为第一完成人所在学院主管教学院长或负责人，“所在学院”一栏填写项目第一完成人所在的学院。
四、申报书请如实填写，表达明确严谨。所需签字之处，必须由相应人员亲笔签名。如有弄虚作假现象，一经核实，将按照撤项处理。
五、项目实施时间的起止年月一般按学年填写，每个项目原则上在1或2年内完成，以一年为一阶段。申报书的各项内容，要实事求是，表达要明确、严谨。第一次出现的缩写词，需注出全称。
六、项目及子项目经费预算中的科目名称可根据预算情况填写实验耗材、药品、试剂、图书资料、实地调研，参加校内外会议，生产采购、仓储运输、广告营销，场地租赁等。
七、在线申报的同时，需同时提交纸质版，以便立项后归档。要求用A4纸填写或打印（签字之处不得打印），于左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。电子版填表字体用小四号宋体，单倍行距，一式一份（备存）。申报书内容格式编排应规范、严谨。
八、所列各项内容不能简单标注“见附件”，否则视为不合格。
备注：创业训练项目及创业实践项目在申请时需一并提交创业计划书。

项目名称

项目类型
□创新训练 □创业训练 □创业实践
项目所属一级学科
（请参照学科分类与代码GB T13745-2009）系统首页及校内公告下载
项目所处阶段
（仅创业实践项目）
□开发阶段 □成长阶段 □成熟阶段
申请经费

万元（保留小数点两位）
起止时间
年 月
至 年 月
申请团队（排名顺序为
负责人先后顺序）
姓名
性别
学号
学院及专业
（填写全称）
联系电话
E-mail

校内指导教师
（多个老师可复制）
姓名

职务/职称

电话

E-mail

单位

校外指导教师
（没有可不填）
姓名

职务/职称

电话

E-mail

单位

一、 项目简介（严格控制在200字以内。请用简明扼要的语言概括项目的关键内容。）
研究内容：
1.理论研究：基于层合材料的接触力学，本项目将细胞膜结构和骨架结构考虑成双层弹性结构，一方面构建多种有限元粘弹性模型用以探讨双层结构中选定材料参数（单层厚度、杨氏模量、粘滞系数）对细胞等效杨氏模量的影响，另一方面用粘弹性应力应变关系式的相应积分代替弹性模量修正的Hertz接触模型描述探针压力与细胞形变的关系，为初步实现两类模型的准确性考证和有效仿真模型甄选，将参考以力曲线为主的Hertz模型拟合结果与有限元仿真结果的相似度，在此基础上利用有限元模型对后期实验进行预测。
2.实验研究：基于AFM对肝癌细胞和正常肝细胞进行成像和力学特性测定。对正常肝细胞和肝癌细胞分别进行力学性质的测量。肝癌细胞不同部位力学性质的测量。测定计算力曲线，再利用 Hertz 模型计算力曲线各点对应的杨氏模量，最终通过高斯拟合分别求解表征两类细胞弹性的杨氏模量，并积分运算得到表征细胞黏性的能量耗散值。针对正常肝细胞CHO和低侵袭性的肝癌细胞HEP G2在力学性质上的差异， 进行AFM实验研究，测定悬臂梁偏转量以及压电陶瓷位置，坐标变换得到力曲线，进而利用 Hertz 模型计算力曲线上每个数据点对应的杨氏模量，绘制柱状图对其进行高斯拟合，求解两类细胞在表征细胞弹性的杨氏模量，并通过积分运算得到表征细胞黏性的能量耗散值。
3.结合延伸：获得细胞分层结构的弹性系数、厚度等指标（途径包括实验分离测定和查阅研究报告），带入前期初步筛选的有限元层合模型，求解力曲线，与实验所得的多组压痕曲线进行拟合，观察拟合度，筛选出最优解，继而基于最优模型探明仿真模型等效杨氏模量与多个参量的定量关系，将该关系式计算所得的等效杨氏模量与建立在Hertz模型上的实验分析所得杨氏模量均值进行对比，以期进一步检验两类模型在研究该问题上的适用性。推出研究肺癌细胞力学特性的优化有限元模型。

二、项目创新点（严格控制在200字以内。请用关键语句或字段列出主要创新之处。阿拉伯数字后面请用“.”——即英文输入模式下的点，不能使用逗号或顿号。）

备注：项目简介和创新点，要注意语言精练，表述准确。根据教育部高教司要求，在填写汇总表（附件2）时，两者合起来原则上不能超过100字。请各项目团队在填报汇总表格报送学院时，注意进一步精简、提炼。其他请参照附件2有关要求。

三、申请理由（可另附页。1000字左右，包括项目实施目的、背景、内容、自身/团队具备的知识、条件、特长、兴趣、前期准备，以及参加哪些科技事件创新活动和取得的成绩等。创业训练和创业实践项目还需对项目进行可行性分析述，背景分析、成本分析、社会效益或经济效益分析等。）
项目运用原子力显微镜中的力曲线原理，
四、项目方案（可另附页。1000字左右，包括目标任务，技术路线或运作模式，行动方案，以及人员分工和资源整合等。）
理论方面：
1.Hertz接触模型导出细胞杨氏模量计算公式
对细胞杨氏模量的计算采用 Hertz 模型的方法, 球形针尖的 Hertz 模型计算公式为
（1）
式中, F为样本受力，E为被测样本的弹性模量，为被测样品的泊松化,δ为压入量，R为针尖曲率半径.在测定细胞杨氏模量时, 通常赋值为0.5。
移项可知E 可以看作力F与压入量 δ 的函数：
（2）
公式可用于有限元模型等效杨氏模量计算。
在 AFM 测量中，F即为探针悬臂梁所受力，δ为压痕深度，直接测得的是压电陶瓷的位置d与悬臂梁偏转量x的力曲线，每条力曲线都包括两条曲线, 即逼近曲线和回退曲线由于回退曲线受到黏附力的影响, 通常采用逼近曲线来计算细胞的杨氏模量。坐标转换即可得到F-δ压痕曲线，原理如下：①δ= d-x ② F=kx（k为悬臂梁的弹性系数）。杨氏模量的具体计算流程如下:

2.构建细胞有限元层合模型
项目预期建立多种有限元细胞仿真模型，现简介一种用plane42单元简化的线弹性二维层合模型：
其物理模型如下图，考虑细胞受压为轴对称问题，将其沿轴剖开，近似为二维实体模型；考虑到细胞尺寸远大于球形探头，将细胞处理为半空间无限大平面，对接触区的网格划分进行加密处理，以期得到更加精确的结果。

模型检验：设定内外层杨氏模量=，定E值绘制力曲线，用Hertz模型拟合相同E值的力曲线，对比两者的吻合程度，为有限元模型的择优提供参考。后期将考察其与实验结果的拟合度，筛选用于本研究的最优模型，进行该步骤需先获取细胞双层模型各层近似材料参数，参数通过参考已有报告或实验分离测定得到。
基于最优模型探明仿真模型等效杨氏模量与多个参量的定量关系，将该关系式计算所得的等效杨氏模量与建立在Hertz模型上的实验分析所得杨氏模量均值进行对比，以期进一步检验两类模型在研究该问题上的适用性，推出研究肺癌细胞力学特性的优化有限元模型，为从微观尺度上研究肺癌细胞奠定理论基础。

3.等效杨氏模量的统计分析
为了更能客观现实地描述细胞的硬度, 需要计算力曲线上多个数据点的杨氏模量值进行统计分析, 在得到其分布的柱状图后利用公式(3)所示的高斯函数对柱状图进行拟合, 并用高斯拟合得到的数学期望μ代表该条压痕曲线计算得到的 BL 细胞的杨氏模量.
（3）

4. 能量耗散 ( W)
探针在测量细胞力曲线的过程中损失的能量，表征的是细胞的黏性。可以表示为：

式中: T 为测量力曲线所用的总时间。能量耗散百分比的形式(φ)表示为 ，如下图中 A1面积。

实验部分：

五、项目进度安排（300-500字，包括进度计划安排，实施阶段和步骤等）

六、项目完成预期成果与形式（可另附页。500-1000字，请简述：专著或编著、调研或实验报告、论文篇数及论文级别，或专利、设计、产品、服务、公司性质及规模、社会融资或风险投资、营业额和利润额等。）
七、项目成员及学校导师承诺
在获得立项后，本人将与项目组成员团结一致，努力做好该项目的研究及实施工作，实现制定的目标。如果因主观原因导致项目执行不力，未达到预期目标，本人与项目组成员愿意承担相应损失，并接受学校相应处理。

项目成员签名：指导教师签名：
年月日年月日

八、经费预算
科目名称
预算经费
（单位：万元）
备注（预算依据与具体说明，可参照项目管理办法中的有关经费使用说明。）

九、项目审批
校内导师意见（需附具体的指导计划）：

签名：年月日
校外导师意见(如无，可不填)（如有，可附具体的指导计划）：

签名：年月日
学院初步评审及推荐意见：

签名：盖章年月日
学校专家评审意见：

负责人签名：盖章年月日
学校立项意见：

签名：盖章年月日