細胞骨架微管的力學性能分析與研究

《細胞骨架微管的力學性能分析與研究》是依託香港城市大學深圳研究院，由劉錦茂擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：細胞骨架微管的力學性能分析與研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉錦茂
• 依託單位：香港城市大學深圳研究院

項目摘要

本項目將採用多尺度分析方法對細胞骨架微管，這一由多原子、大分子組成的結構體系的力學性能進行深入而系統的研究。近來，國內外學者嘗試用各種各樣的方法研究和解釋與微管有關的生物力學現象，然而在現有的研究中，不同的理論方法都有著各自顯著的弱點，實驗所能研究的範圍也非常的有限。本項目意在通過理論結合實驗，找到一種新的方法衡量微管蛋白大分子之間的相互作用，提出微管虛鍵的概念，以全新的理念認識微管的結構，並引入高階梯度對變形的影響，建立多尺度分析本構關係。進而結合此本構關係，在高階梯度連續的框架下推導出一套完整的，與無格線方法相結合的，能用於微管全面力學性能分析的新理論體系。同時展開實驗研究，編制大型計算程式進行數值模擬、驗證。並進一步以高效準確的模擬計算，揭示實驗無法實現的，更為複雜的生物力學現象。本項目將為研究微納米力學以及生物大分子體系的力學性能開拓新的思維，提供一種具有廣泛適用性的新方法。

結題摘要

經過項目組成員的努力及協作，本項目成功採用了多尺度分析方法對細胞骨架微管，這一由多原子、大分子組成的結構體系的力學性能進行了深入而全面系統的研究。克服了現有的研究中不同的理論方法各自的顯著弱點。本項目通過深入研究，找到了一種新的方法計算微管蛋白與鳥嘌呤核苷分子之間，以及微管蛋白大分子之間的微觀相互作用，來衡量微管蛋白大分子之間的相互作用，提出了微管“虛鍵”的概念，以全新的理念認識微管的結構，並引入了高階梯度對變形的影響，建立了多尺度分析本構關係。進而結合此本構關係，在高階梯度連續的框架下推導出了一套完整的，與無格線方法相結合的，能用於微管全面力學性能分析的新理論體系。結合高階Cauchy-Born準則，選取基本單元推導了適合微管多尺度分析的無格線體系，通過能量最小化的方法得到了微管的各項力學常數。本項目編制了大型計算程式進行數值模擬、通過試驗結果對比驗證，以得到準確的數值模擬系統。並進一步以高效準確的模擬計算，揭示更為複雜的生物力學現象。進行微管的靜力作用分析，整體與局部屈曲分析，屈曲與後屈曲分析，振動特性分析，動力分析及熱反應分析等。利用已建立的完善的理論體系分析了複雜的生物力學現象，通過力學模型解釋了有關生物功能及特性，如微管的彈性介質內的振動特性，微管隨長度、溫度變化的剛度特性等，本項目將為研究微納米力學以及生物大分子體系的力學性能開拓了新的思維，提供了一種具有廣泛適用性的新方法，項目共在國際SCI期刊上發表論文000篇，項目科研成果遠超預期，項目的順利完成為固體力學及生物力學領域做出了突出的貢獻。