软弹性体特异性粘附的弹性-随机-扩散模型及其在细胞粘附力学机理研究中的应用

细胞粘附由粘附分子之间特异的相互作用形成,是许多生理病理现象中共同涉及的基础生物学过程。由于细胞与周围微环境之间的相互影响涉及细胞层次的力学与生物学耦合及分子层次的力学与化学耦合，因而构建描述这一过程的理论模型，发展相应的数值实验技术，还是一种理论和技术上的挑战，同时具有重要科学意义。本项目拟基于细胞及其外基质均为软物质及粘附分子键可随机断开闭合并可沿细胞膜扩散移动这些基本事实，利用连续介质力学与统计力学等手段通过跨尺度建模方式研究软弹性体经由可随机断开-闭合及沿界面扩散的分子簇形成的粘附结构，将相关结果应用到细胞粘附生物力学机理的认识中，从理论上揭示细胞粘附强度及其稳定性与粘附系统力学性质及粘附分子密度、化学键强度和扩散等的依赖关系；探索细胞如何借助于自身收缩机制对粘附斑进行主动调控的生物力学机理；建立细胞粘附问题研究的有效力学分析途径及数值仿真手段。

本项目基于细胞及其外基质均为软物质及粘附分子键可随机断开闭合并可沿细胞膜扩散移动这些基本事实，利用连续介质力学与统计热力学等手段建立了描述软弹性体间经由粘附分子簇特异性接触的定量理论框架。进一步基于该理论框架揭示出有关粘附界面形貌对粘附强度影响的定量关系；发现病毒或纳米颗粒通过受体介导内吞侵入细胞的多种新机制：首次指出细胞骨架的弹性性质对病毒入侵细胞的阻碍作用主要在于内吞后期，并揭示出几何尺寸与形状、接触角度、粘弹性性质、分子扩散等诸多因素对细胞内吞纳米颗粒（病毒）的影响规律。围绕决定细胞力学性质的骨架结构开展了连续介质结构力学与聚合物理论结合的定量建模研究：给出了多年来有关微管弯曲刚度不同实验测量值相差几个数量级问题的机理解释，发现了材料的奇异力学行为，解释了有关细胞生物学现象。针对研究中必然会涉及到的强非线性问题定量分析需求，基于小波理论这一先进数学工具，提出了一种非线性微分方程求解的封闭算法，并通过应用证实了所提出小波方法的优越性。