面向微注射的细胞力学建模、表征与参数优化

本项目以生命科学研究中转基因动物细胞微注射为应用背景，针对目前机械损伤大、细胞成活率低、操作效率低的问题，提出对细胞的力学建模、表征及微注射参数优化进行深入的理论分析和实验研究。基于细胞膜独特的双亲性磷脂双分子层结构，提出采用耗散粒子动力学构建一种新的细胞力学模型，用以在分子层面研究细胞膜体系的动力学性质和微观状态，获得细胞表面张力、弹性模量等力学参数的表征方法。基于细胞力学模型，研究微注射过程中细胞被外力作用后的力学响应和变形行为，定量分析注射力等微注射参数与细胞变形之间的关系，实现参数优化，并从理论上揭示微注射时细胞膜的破裂机理。在理论研究基础上，建立微注射实验系统，进行斑马鱼晶胚微注射实验，验证和完善细胞力学模型，并应用于转基因斑马鱼生物学研究，成倍提高细胞成活率和操作效率。本项目成果将极大地促进微注射技术和细胞生物力学的发展，并为生命科学前沿研究提供重要理论分析和实验技术支持。

本项目以生命科学研究中转基因动物细胞微注射为应用背景，针对目前机械损伤大、细胞成活率低、操作效率低的问题，研究细胞力学建模、表征及参数优化方法与技术，并将此扩展到从纳米结构向细胞导入外源物质，深入分析纳米-生物界面，研究细胞力学行为，优化实验参数，以降低细胞损伤。.本项目主要研究内容与成果如下：.（1）采用耗散粒子动力学（Dissipative Particle Dynamics, DPD）理论与方法，建立了一种新的细胞力学模型，即细胞微结构模型。该模型综合考虑细胞膜的磷脂双分子层结构，并以细胞骨架为基础，引入交联蛋白、分子马达等微结构以及解离/反解离、聚合/解聚合、折叠/解折叠等生理过程。对比细胞模型与实际细胞的粘弹性，结果表明细胞模型能很好地模拟细胞的动态力学性能。.（2）利用所建立的DPD微结构模型和基于能量法的连续介质模型，研究了微注射过程中细胞的力学行为。通过建立显微注射过程中系统的能量方程，采用拉格朗日极值原理和瑞利-里兹（Rayleigh–Ritz）方法进行求解，得到了细胞变形以及注射力、注射距离等参数间的关系。该模型可以有效避免建模过程中的人为估计和经验推测，更加准确地反应细胞的力学行为。提出了细胞受损伤的评价标准，并利用细胞微结构模型，探究了微注射过程中降低细胞损伤的方法。结果表明较小的注射针半径，更尖的注射针以及较大的注射速度能减少细胞的损伤。.（3）建立了斑马鱼胚胎细胞显微注射硬件系统，完成了对显微注射仪的速度、位移的定量控制。研究了不同针尖半径、针尖形状、注射速度、角度以及水平偏移下，斑马鱼胚胎显微注射实验中细胞的变形，验证仿真模型的准确性，并推断出斑马鱼胚胎细胞符合“外部壳-内部液体核”模型。.（4）提出了不同表面形式的纳米探针在刺入细胞膜时的纳米-生物界面模型：亲水表面的纳米针在进入细胞膜时会形成一个亲水孔；而疏水针则会形成一个T字形形状。轴向针和随机针能有效降低纳米针刺入过程中对细胞膜的损伤。发现配体对碳纳米管进入细胞的影响：配体分子的数量越多，碳纳米管进入细胞膜的穿透率越低。均匀分布的配体布局形式能避免进入过程中纳米管的转动，因而具有更高的穿透率。并且选择长度较短，刚度较小以及疏水性的配体分子都能提高其进入细胞膜的效率。.本项目成果极大地促进了微操作技术和细胞生物力学的发展，并为生命科学前沿研究提供重要理论分析和实验技术支持。