剪切流场作用下两组分磷脂膜相分离的数值模拟

论文摘要

随着生物科学的不断发展,人们对细胞膜的研究日趋广泛和深入。细胞膜结构和功能的研究已成为生物学、化学和物理学交叉的热门科学。细胞膜是细胞内部和外部环境的分界面,在生命活动中发挥着极其重要的作用。真实的细胞膜是一个十分复杂的系统,脂质极性分子在水溶液中自组织形成的双分子层是细胞膜最基本的结构组成,而蛋白质分子则镶嵌在双分子层中以实现细胞内外物质与信息的交流及其它一些生物功能。因此,通过研究人工合成的两组分或多组分磷脂膜可以探讨细胞膜的许多基本结构特征、生理功能和行为。细胞膜中存在着很多富含胆固醇、鞘磷脂等的特殊微区结构,称为脂筏。脂筏在很多生理过程中扮演着重要的角色,如细胞膜的信号传导、蛋白质分选、病毒性出芽等。脂筏的形成与细胞膜中的脂质在特定条件下(如合适的温度)发生的相分离密切相关。细胞大多处于流体环境当中,承受流场的剪切作用,这对细胞膜中的相分离过程及脂筏的形成能够产生重要的影响。鉴于实验研究具有技术难度大和费用昂贵等局限性,数值模拟方法近年来得到了不断地发展和完善,获得了许多目前无法通过实验得到的宝贵结果。在本论文工作中,我们导出了两组分磷脂膜模型的系统能量泛函,基于连续系统的相场动力学,建立了稳定剪切流场作用下的两组分磷脂膜的相分离动力学控制方程,进而利用元胞动力学系统(CDS)方法对控制方程进行数值求解,直观地给出了微区域形态和膜形状。为了更加定量地描述这个相分离过程,我们模拟了小角度散射图样的演化,讨论了平行和垂直于流场的两个方向上微区特征域尺寸的时间生长规律,并探讨了磷脂膜系统流变特性的变化。与稳定剪切流场相对比,我们进一步模拟研究了不同频率和幅值的周期振荡剪切流场对两组分磷脂膜相分离过程的影响。最后,为了更加准确地反映细胞膜中的真实情况,我们分别建立了连续化模型和颗粒化模型来模拟含蛋白质夹杂的两组分磷脂膜的相分离,并对比了两种模型所得到的结果,分析了夹杂含量与稳定剪切流场强度的耦合作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 细胞生物力学概述
• 1.1.2 生物膜和细胞膜
• 1.1.3 脂筏与磷脂相分离
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 实验研究现状
• 1.2.2 理论研究现状
• 1.3 本论文的研究内容
• 第2章 基本理论与方法
• 2.1 细胞膜中的相分离
• 2.2 相分离动力学
• 2.3 细胞膜中的弹性能量
• 2.4 元胞动力学系统方法
• 2.5 MATLAB 软件及其程序设计
• 第3章 稳定剪切流场作用的情形
• 3.1 两组分磷脂膜模型
• 3.1.1 自由能泛函与控制方程
• 3.1.2 系统的线性稳定性分析
• 3.2 控制方程的数值方法求解
• 3.3 数值模拟结果与分析
• 3.3.1 相分离域形态演化
• 3.3.2 散射实验图样的模拟
• 3.3.3 特征域尺寸的生长规律
• 3.3.4 系统流变特性的演变
• 3.4 初始值φ0 ≠0 的情形
• 3.5 本章小结
• 第4章 周期振荡剪切流场作用的情形
• 4.1 本章引论
• 4.2 动力学控制方程及求解格式
• 4.3 模拟结果与讨论
• 4.3.1 膜形态演化
• 4.3.2 模拟的散射图样
• 4.3.3 特征域尺寸的生长规律
• 4.3.4 系统流变特性的演变
• 4.4 本章小结
• 第5章 含蛋白质夹杂的模型
• 5.1 本章引论
• 5.2 连续化夹杂模型
• 5.2.1 连续化夹杂理论模型
• 5.2.2 模拟结果及分析
• 5.3 颗粒化夹杂模型
• 5.3.1 颗粒化夹杂理论模型
• 5.3.2 模拟结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果