肌球蛋白Ⅱ缺失细胞胞质分裂机制研究

哺乳动物细胞胞质分裂过程中伴随着一系列形态学改变,随着分裂沟不断收缩,形成连接两个子细胞的细胞间桥.间桥不断拉长、变细,直至断裂、生成两个子细胞.采用细胞力学和形态学测量及分析方法,通过施加肌球蛋白Ⅱ抑制剂,定量研究了NRK细胞间桥变细动力学;采用细胞免疫荧光技术,检测了早期胞质分裂肌动蛋白的分布,揭示肌球蛋白Ⅱ缺失细胞胞质分裂可能的机制.结果表明:施加肌球蛋白Ⅱ抑制剂的NRK细胞,其整体形态学和细胞间桥形态学曲线明显不同于0.3%DMSO组.根据流体力学特性和所测量的力学参数对曲线进行模拟发现,表面张力对肌球蛋白Ⅱ抑制组细胞的间桥动力学曲线轨迹影响很大.研究结果提示由细胞力学特性决定的拉普拉斯压力和细胞运动共同参与了肌球蛋白Ⅱ缺失细胞胞质分裂的调节.     

胞质分裂力学及其分子生物学机制的研究

胞质分裂通过一系列的形态学变化使母细胞一分为二生成两个子细胞, 几乎整个胞质分裂过程都伴随着力学现象.形成刚度或黏弹性互不相同的区域对细胞形态的改变至关重要, 特殊肌动蛋白与交联蛋白是导致细胞局部刚度改变的重要因素.因此有必要深入理解细胞如何变形、 以及促进细胞变形的材料特性及其分子生物学基础. 本文将针对细胞的力学特性、胞质分裂中的力学现象以及分子生物学基础进行讨论.     

基于微丝主动收缩的细胞分裂的力学模型

为了解释动物细胞胞质分裂的力学机理，基于大量的细胞卵裂实验数据，在Zinemanas和 Nir的流体动力学模型基础上，对微丝的分布函数改为随同质膜移动，增加了由于生化刺激 引起主动微丝的影响系数. 数值计算表明：此模型能较好地预测细胞在胞质分裂过程中，细 胞的总体和局部变形，以及卵裂沟处的张力和细胞内压.     

悬浮态上皮细胞粘附的力学-化学耦合模型及数值模拟

上皮细胞通过局部募集上皮性钙粘附蛋白(E-cadherin)建立胞间粘着连接,实验证实该过程受到肌球蛋白皮层张力的调控.为了从系统层面阐明粘着连接形成动力学过程,本文考察皮层张力调控肌动蛋白(F-actin)解聚从而参与E-cadherin级联转导,同时以马达-离合器机制模拟两细胞相互作用,据此构建可反映悬浮态细胞粘附的力学-化学耦合数学模型;对整体包含随机点源的非线性反应-扩散方程组与平衡微分方程耦合系统采取了自行发展的格子Boltzmann-粒子法与蒙特-卡洛法数值求解.数值模拟表明,由收缩性肌球蛋白(myosin-II)拉动胞间E-cadherin成键可提升皮层张力,进而降低F-actin解聚速率﹑锚定更多的E-cadherin;所构成的力学反馈回路展现出时空效应,可帮助E-cadherin在接触区建立初始极性; E-cadherin形成顺式二聚体则将初始极性放大,导致接触区E-cadherin展现起始、快速增长及慢速增长的积聚动力学特征.皮层呈松散结构时刚度较小,可通过延长胞间E-cadherin成键寿命提升张力,而接触区弧度适中时(≈1.2 rad) E-cadherin峰值最高;两者可分别作为启动力学反馈回路及调控粘着连接成熟度的有效手段.     

悬浮态上皮细胞粘附的力学-化学耦合模型及数值模拟

上皮细胞通过局部募集上皮性钙粘附蛋白 (E-cadherin) 建立胞间粘着连接, 实验证实该过程受到肌球蛋白皮层张力的调控. 为了从系统层面阐明粘着连接形成动力学过程, 本文考察皮层张力调控肌动蛋白 (F-actin) 解聚从而参与E-cadherin级联转导, 同时以马达-离合器机制模拟两细胞相互作用, 据此构建可反映悬浮态细胞粘附的力学-化学耦合数学模型; 对整体包含随机点源的非线性反应-扩散方程组与平衡微分方程耦合系统采取了自行发展的格子Boltzmann-粒子法与蒙特-卡洛法数值求解. 数值模拟表明, 由收缩性肌球蛋白 (myosin-II) 拉动胞间E-cadherin成键可提升皮层张力, 进而降低F-actin解聚速率﹑锚定更多的E-cadherin; 所构成的力学反馈回路展现出时空效应, 可帮助E-cadherin在接触区建立初始极性; E-cadherin形成顺式二聚体则将初始极性放大, 导致接触区E-cadherin展现起始、快速增长及慢速增长的积聚动力学特征. 皮层呈松散结构时刚度较小, 可通过延长胞间E-cadherin成键寿命提升张力, 而接触区弧度适中时($\approx$1.2 rad) E-cadherin峰值最高; 两者可分别作为启动力学反馈回路及调控粘着连接成熟度的有效手段.      

内侧腓肠肌-跟腱复合体形态学和力学特性的性别差异研究

旨在探讨体内侧腓肠肌-跟腱复合体的形态学和力学特性的性别差异。招募并选取无训练经历且无规律运动习惯的健康男性和女性各18名。使用超声系统和数字化触诊仪分别测量或间接计算内侧腓肠肌和跟腱的形态学和力学特性。采用独立样本t检验以及Mann-Whitney U检验分析内侧腓肠肌和跟腱的形态学和力学特性的性别差异。结果表明：相比于女性，男性的内侧腓肠肌羽状角、厚度均更大，但是肌束长度无显著性别差异；相比于女性，男性的跟腱长度更长且跟腱横截面积更大；相比于女性，男性的内侧腓肠肌垂直刚度较大，对数衰减值较小；跟腱的垂直刚度和对数衰减值无显著性别差异。据此，内侧腓肠肌-跟腱复合体的形态学和力学特性具有显著性别差异。     

骨组织细胞的力学调控研究

力学环境是影响骨组织细胞形成、增殖和功能成熟的一个重要因素. 骨细胞是力学感受细胞, 将力学信号传递给效应细胞; 成骨细胞、破骨细胞为力学效应细胞, 使骨形成和骨吸收处于动态平衡以维持骨力学稳定性. 目前对骨组织细胞间力学调控的机理仍不甚清楚. 综述了骨组织细胞力学生物学作用和细胞间力学调控的一些相关问题. 在概述了成骨细胞、骨细胞和破骨细胞的生物学特性基础上,阐述了骨重建力学调控理论,成骨细胞、骨细胞和破骨细胞生物力学效应和细胞间力学调控最新研究进展. 最后对骨组织细胞三维网络间力学调控研究做出展望.     

多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征.逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动.根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.     

多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的 广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞 结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构 双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指 出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征. 逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂 非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动. 根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的 吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的 多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非 线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.      

碳纳米管应变传感器的性能分析：实验偏振模式的影响机制

碳纳米管作为一种拉曼力学传感介质具有优异的力学性质及共振、偏振拉曼特性。将碳纳米管散布在基体材料中，即可实现局部应力/应变的测量。受到光学衍射极限的限制，常规的远场拉曼光谱得到的是一定区域内众多碳管的平均散射信息。本文综合考虑了采样点内各方向碳管的影响，并对碳管散射的共振状态、碳管的分布状态、拉曼系统的偏振构型及偏振方向等实验因素对碳纳米管应变传感器性能的影响进行了深入分析，采用分峰和重构的方法定量地给出了不同实验模式下采样点内的拉曼信息组成以及各种实验模式的测量精度。分析和对比表明，采用双偏振构型且偏振方向沿荷载施加方向时的测量精度最高，即最优的实验模式。     

山西清徐地裂缝形变的InSAR监测分析

山西清徐地裂缝是近年汾渭盆地中活动最为剧烈的地裂缝之一,对耕地、道路和建筑物均造成了严重的破坏。为了监测该地裂缝的活动特征并推测其活动原因,采用差分合成孔径雷达干涉测量技术对该区域的地表形变进行了面状监测。由于受农田覆盖导致的严重时间去相干的影响,本文采用2007年时隔仅为70d的两景Envisat ASAR数据进行了解算,获取了该时间段清徐地区的整体地表形变,特别是清徐地裂缝两侧的形变梯度信息。结果显示: 清徐地裂缝南侧有一个长轴约为2km的地面沉降区域。进一步通过两条平行于地裂缝的剖线和多条垂直于地裂缝的剖线对该地裂缝形变的空间特征进行了分析,结果显示: 清徐地裂缝南侧为主要的形变区域,地裂缝最大的影响宽度达100m,而且地裂缝的不同地段的活动强度也不同, 70d的最大差异形变达5cm。从地裂缝与断裂的空间来看,该地裂缝位置受到交城断裂的控制,而推测近年地裂缝的异常活动则源于地裂缝南侧沉降中心的出现。     

GPS在西安市地面沉降与地裂缝监测中的应用研究

本文从GPS监测网的布网原则和设计方案出发,对GPS外业观测和内业数据处理中的关键技术进行了深入研究,提出了一套适用于大城市地面沉降与地裂缝灾害监测的作业方法和数据处理方案。通过西安地区地面沉降和地裂缝的GPS监测实践,证明了本文提出的监测网的布设原则、GPS外业施测和内业数据处理方案是切实可行的,并且通过GPS监测获取了西安地面沉降和地裂缝近期活动的有关数据信息,且其与精密水准结果具有很好的一致性。     

临汾地面沉降数值模拟及其与地裂缝灾害关系研究

临汾市区是继西安、大同等地区之后又一地裂缝灾害比较严重的地区, 已经严重影响着临汾市经济的可持续性发展。经研究表明, 地下水超采为影响该区地裂缝灾害的第二大因子, 它是通过地面沉降来促使地裂缝的形成和发展。本文通过对临汾市区地面沉降进行数值模拟, 总结出了地面沉降的变化规律。分析认为, 地裂缝灾害的易出现部位为沉降梯度陡变带, 即沉降梯度最大处。     

盐岩储库区地面沉降预测与控制研究现状与展望

利用盐岩地层建设地下油气储库群已成为各国发展能源储备的重要方向，然而关于储库区地面沉降的研究至今仍处于探索阶段。由于地面沉降所造成的重大事故屡见不鲜，因此有必要集中力量研究盐岩库区地面沉降问题,为我国盐岩储库群的建设提供可靠的理论依据。本文主要从以下3个方面总结了近几十年来国内外学者在盐岩储库区地面沉降预测方面所做出的努力与成绩： （1）现场监测——法国、德国、美国先后建立了现场监测网络,获得了大量的长期监测数据；  （2）理论计算——我国学者于20世纪90年代末将随机介质理论引入到盐矿水溶开采地面沉降预测中,从而为储库区地面沉降预测提供了新的理论基础；  （3）数值模拟——欧洲学者利用FLAC2D 程序对盐岩储库区的地面稳定性进行了数值模拟,而我国学者则利用在新概率积分法的基础上建立起的预测模型成功进行了沉降预测模拟。此外,为了有效地控制库区地面变形,预留矿柱式水溶开采法在国外众多盐岩地下储库群建设中得以广泛应用。本文最后提出在后续研究中将重点着眼于地表变形随时间的发展过程,并对现有理论模型进行适当的修正以及利用现场实测数据进一步完善预测所需参数的选取方法,从而使预测结果更为准确可靠。     

西安地铁二号线沿线地裂缝特征、危害及对策

地裂缝是西安地区典型的地质灾害,对该地区的各类工程建筑、交通设施、城市生命线工程及土地资源造成威胁,尤其是对拟建的西安地铁二号线的施工与安全运营影响更大。本文首先介绍了西安地裂缝的基本特征,然后阐述了西安地铁二号线穿越地裂缝的基本情况。根据实际观测数据及地表累计活动量确定了地铁二号线穿越的各条地裂缝在不同时间段的活动速率及地裂缝活动的影响范围,在此基础上提出了针对地裂缝灾害的防治措施。     

山西清徐县地裂缝灾害现状及类型分析

研究了山西省清徐县平泉村—武家坡村地裂缝地质灾害的现状和主要特征。清徐县平泉村至武家坡村等7个村庄自2002年春天出现地裂缝以来,其灾害呈现日趋加重的趋势,给当地村民的生产及生活带来了极大影响。经过对平泉村至武家坡村地裂缝的现场实地调查,认为清徐县平泉村-武家坡村地裂缝的分布情况复杂,影响带的宽度从3m左右到100多米不等,凡位于地裂缝带内的大部分建筑物都遭到了破坏。地裂缝带内的地面变形形式有陡降型和缓降型两类,其中位于陡降型变形带上的建筑物破坏最为严重。地裂缝引起建筑物的破坏主要有墙体开裂、地面倾斜、地基下沉、楼梯断裂、门窗变形等多种形式。清徐地裂缝目前仍处于活动阶段,这种活动趋势还将持续一段时间,建议地裂缝带内的村民应尽快搬迁,并限制其在地裂缝带内的工程活动,以免造成更大的损失。     

西安地铁二号线沿线地裂缝未来位错量估算及工程分级

地裂缝在地铁设计使用期内的最大垂直位错量是西安地铁二号线穿越地裂缝结构设计的一个十分重要的参数。本文以历史水准监测资料为基础,分析了西安地铁二号线沿线各地裂缝在不同历史阶段的活动特征与活动原因,对各地裂缝的未来活动趋势进行了预测。然后通过基于不同时间段地裂缝活动速率的最大垂直位错量估算结果的对比分析,得出了地铁设计使用期内各条地裂缝与地铁交汇点处地裂缝的最大垂直位错量,并以此为依据,将西安地铁二号线沿线地裂缝分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级等4个工程级别。     

壁画空鼓病害的探地雷达正演模拟检测

通常西藏壁画地仗层的厚度不足10cm，有效去除直耦杂波是利用高频探地雷达识别壁画空鼓病害的关键，在此基础上计算空鼓的厚度。模拟制作西藏壁画地仗，在其内部预设深度和厚度各不相同的规则空鼓，通过正演模拟试验确定探地雷达的采集参数，积累数据处理的经验，并比较不同雷达天线的性能。结果表明，针对RAMAC探地雷达和Ground Vision数据采集、后处理软件，时窗深度宜为3ns左右，采样频率应不低于142GHz，效果最明显的两个滤波器是带通滤波和抽取均道。当雷达天线与细泥层地仗耦合较好时，中心频率1.6GHz和2.3GHz的雷达天线均能准确检测出深3cm左右、厚约2cm的空鼓，1.6GHz天线的极限垂直分辨率约0.5 cm。     

基于流固耦合作用的抽水引起地面沉降计算模型

过量开采地下承压水会引起地基土体的变形，进一步导致地面沉降和地裂缝等地质灾害，抽水引起地层的变形过程是土层中孔隙水和土颗粒相互作用的复杂过程．两步法和流固耦合法是计算地面沉降常用的两种思路，它们的适用性各有不同．本文基于理想的地层模型，分别建立两步法计算模型和流固耦合计算模型，利用FLAC3D6.0有限差分软件对模型进行求解，对比分析两类方法计算结果的差异．结果表明流固耦合法符合力学机制，能够更好地反映土体变形的发展过程，但计算时间更长．而两步法适用于稳定流，在渗流达到稳定流时两步法计算的孔压分布和地面沉降能够满足工程精度要求．本文的研究成果为合理选取地面沉降计算方法提供依据．     

高层建筑物荷载与地下水开采叠加作用下的地面沉降特征

在地下水开采和高层建筑荷载叠加作用下,城市地面沉降分布愈加复杂。以天津塘沽地区为例,考虑到土体在固结沉降中的平衡条件、弹性本构条件、变形协调条件和水流连续条件,以比奥固结理论为基础,建立了高层建筑荷载和地下水开采叠加作用下三维地面沉降模型,采用有限元方法进行了数值计算。结果表明,高层建筑物的附加荷载作用在其建成后的3~4a内将产生可观的地面沉降量; 抽水和高层建筑荷载叠加作用下的地面沉降存在耦合效应,叠加作用下的地面沉降值小于可比条件下单独抽水和单独荷载作用下地面沉降值之和。