细胞膜形貌演化的力电耦合行为研究

在细胞和亚细胞层次上，力学响应与电学信号紧密联系并相互转化。本项目拟针对细胞膜和膜泡在力电耦合场作用下的形貌演化问题，展开比较深入的理论研究和数值模拟，以期从力学和物理的角度，增进对细胞力电响应的物理机制和基本规律的认识。考虑力电耦合特性与细胞骨架的影响，发展细胞膜变形的力电耦合液晶模型，为揭示细胞在多物理场作用下的变形与形态演化提供有效的分析手段；发展适用于细胞膜演化的相场模拟方法，以解决多物理场、大变形、高度非线性、动边界情况下细胞的形态演化问题；对电场的强度、波形、频率和非均匀性等因素对细胞形貌演化的影响进行系统的分析，并研究细胞或膜泡力电耦合行为的尺寸效应与失稳条件。对电穿孔和电融合现象进行研究，分析其对外加电场的强度和频率、细胞膜的形状和尺寸、内外电解液等的依赖性。

细胞与亚细胞结构的许多生物学行为都与力学因素密切相关，而力学过程又往往与化学、电学等其他效应相互耦合。构建合适的理论与计算方法，描写细胞的多场耦合行为、揭示其中的物理规律，具有重要的理论与应用价值，也是本项目的目标所在。我们对细胞及其内部结构的几个多场耦合问题开展了比较系统的研究。.首先，构建了一套描写细胞膜力电耦合变形的理论框架。根据所发展的力电耦合液晶模型，结合Ginzburg-Landau相场法等方法，可以高效计算多物理场、动边界下细胞膜泡的形态演化，并分析了在电场载荷作用下膜泡形态的稳定性。.其二，发展了自洽场方法，用以模拟脂质体的自组装行为。通过对不同环境下脂质体与纳米粒的自组装行为的模拟，分析了控制自组装结构的形状和尺寸的方法。.其三，发展了描写细胞粘附的力化学耦合模型。通过实验证明了整合素内吞在细胞粘附中的重要作用。基于实验结果，建立了一个基于分子机制的细胞粘附模型模型，可以反映基底弹性对整合素状态以及细胞粘附的影响。.第四，针对细胞骨架微管力化学耦合的动态行为，建立了一个粗晶化模型。模型考虑了GTP水解等化学因素的影响，能有效描写微管在生长过程中的形貌和能量演化，据此确定了微管生长的稳定性机制。