细胞骨架微管的力学性能分析与研究

本项目将采用多尺度分析方法对细胞骨架微管，这一由多原子、大分子组成的结构体系的力学性能进行深入而系统的研究。近来，国内外学者尝试用各种各样的方法研究和解释与微管有关的生物力学现象，然而在现有的研究中，不同的理论方法都有着各自显著的弱点，实验所能研究的范围也非常的有限。本项目意在通过理论结合实验，找到一种新的方法衡量微管蛋白大分子之间的相互作用，提出微管"虚键"的概念，以全新的理念认识微管的结构，并引入高阶梯度对变形的影响，建立多尺度分析本构关系。进而结合此本构关系，在高阶梯度连续的框架下推导出一套完整的，与无网格方法相结合的，能用于微管全面力学性能分析的新理论体系。同时展开实验研究，编制大型计算程序进行数值模拟、验证。并进一步以高效准确的模拟计算，揭示实验无法实现的，更为复杂的生物力学现象。本项目将为研究微纳米力学以及生物大分子体系的力学性能开拓新的思维，提供一种具有广泛适用性的新方法。

经过项目组成员的努力及协作，本项目成功采用了多尺度分析方法对细胞骨架微管，这一由多原子、大分子组成的结构体系的力学性能进行了深入而全面系统的研究。克服了现有的研究中不同的理论方法各自的显著弱点。本项目通过深入研究，找到了一种新的方法计算微管蛋白与鸟嘌呤核苷分子之间，以及微管蛋白大分子之间的微观相互作用，来衡量微管蛋白大分子之间的相互作用，提出了微管“虚键”的概念，以全新的理念认识微管的结构，并引入了高阶梯度对变形的影响，建立了多尺度分析本构关系。进而结合此本构关系，在高阶梯度连续的框架下推导出了一套完整的，与无网格方法相结合的，能用于微管全面力学性能分析的新理论体系。结合高阶Cauchy-Born准则，选取基本单元推导了适合微管多尺度分析的无网格体系，通过能量最小化的方法得到了微管的各项力学常数。本项目编制了大型计算程序进行数值模拟、通过试验结果对比验证，以得到准确的数值模拟系统。并进一步以高效准确的模拟计算，揭示更为复杂的生物力学现象。进行微管的静力作用分析，整体与局部屈曲分析，屈曲与后屈曲分析，振动特性分析，动力分析及热反应分析等。利用已建立的完善的理论体系分析了复杂的生物力学现象，通过力学模型解释了有关生物功能及特性，如微管的弹性介质内的振动特性，微管随长度、温度变化的刚度特性等，本项目将为研究微纳米力学以及生物大分子体系的力学性能开拓了新的思维，提供了一种具有广泛适用性的新方法，项目共在国际SCI期刊上发表论文000篇，项目科研成果远超预期，项目的顺利完成为固体力学及生物力学领域做出了突出的贡献。