基于自然增长的细胞群粘附数值模拟

细胞群通过表面的粘附分子不断聚集的过程称为细胞群粘附, 是生物学许多研究领域(早期的胚胎发育、组织的新陈代谢以及肿瘤生长等)的基础. 考虑细胞群的自由运动和细胞群互相之间的粘附力作用, 并引入Logistic模型来描述细胞群自身的自然增长, 从宏观的角度研究细胞群粘附现象, 构建出一个细胞群粘附模型; 其数值模拟结果与实验结果较吻合, 能定性地对不同种类细胞群粘附的最终形态做出预判.      

单微吸管测量细胞切向粘附力方法的研究

本文对单微吸管测量细胞切向粘附力的方法进行简要的力学分析,结果表明该方法不失为一种简单易行的切向粘附力测量方法,有助于研究个体细胞与不同基底材料之间的粘附性能,以及不同药物、粘附分子对细胞切向粘附力的影响,扩大了微管吸吮技术的应用范围,并对单微吸管细胞切向粘附力测量方法的测量左范围进行了讨论。通过对人成骨细胞切向粘附力的测量,结果表明该方法可满足细胞生物力学实验的要求。     

相对湿度对材料表面粘附力影响的研究

利用自制微摩擦及粘附力测试装置考察了在微载荷条件下,相对湿度对Si(100)材料表面粘附力的影响,分析了在大气环境中水分子的毛细作用力和范德华力对粘附力的贡献,并以BET吸附模型为基础推导出考虑湿度影响的粘附力计算公式.结果表明:在微载荷条件下,相对湿度对材料表面的粘附力影响十分显著,随着相对湿度升高粘附力增加,特别是相对湿度RH在40%～80%之间时,粘附力变化最为显著;当相对湿度RH小于20%时,范德华力大于水的毛细作用力且占主导地位;当相对湿度RH大于20%后,水分子的毛细作用力不断增加,同时范德华力因水膜的存在而降低,水的毛细作用力占主导地位.     

多组份硅橡胶基末端膨大二级结构粘附性能研究

本文在前期工作基础上,在仿生刚毛一级结构末端固化1层粘附层,制备出末端膨大二级结构,用UMT测试其粘附性能。结果表明：正向滑移单根阵列支杆产生的切向力为5.3 mN,5倍于一级结构的刚毛;末端膨大结构的粘附层因材料组份的不同,其粘附阵列产生的切向粘附力明显不同;倾斜的末端膨大二级结构具有各向异性的粘附特性,正向滑移产生的切向力是逆向滑移的切向力的3.5倍。     

壁虎粘附微观力学机制的仿生研究进展

本文针对壁虎粘附系统最小单元的真实形状, 类似于有限尺寸纳米薄膜的铲状纤维, 综述了对其微观粘附力学机制主要影响因素的多个研究, 主要考虑了有限尺寸纳米薄膜长度、厚度、撕脱角等对撕脱力的影响; 物体表面粗糙度以及环境湿度等对粘附的影响因素; 包括实验、理论及数值模拟的研究及结果比较. 最后给出仿生粘附力学方向仍然存在的主要科学问题及进一步的研究展望.     

细胞层次的生物力学

各个个别细胞的力学行为,提出了许许多多不同生物现象中有兴趣的一大批问题。单个红血细胞的流变学已经得到了很好的发展,白细胞和内皮细胞的静息性质,目前正在探索中。单个细胞的动力学问题,包括生长,细胞分裂,能动运动,收缩机理,吞噬作用,移动等,提出了许多有待分析的挑战性难题。感觉神经细胞的转导作用机理和神经结构的机械应力及损伤,相对说来则尚未作过探索。     

红细胞聚集的生物力学基础

红细胞聚集是一种细胞间的非特异粘附．从宏观角度讲,它是一种热力学过程;由不分散的单个细胞发展为三维网状结构．而从细观上看则是一种细胞膜间有大分子参与的弱相互作用．本文对红细胞的聚集形式模型从生物力学角度进行了综述．      

超高真空下过渡金属Nb与Nb、Ta、Ti、W相互间粘附特性的试验研究

本文在超高真空(10~(-7)Pa)条件下量测了Nb-Nb(110)、Nb-Ta(110)、Nb-W(110)及Nb-Ti4个粘附对的粘附力,并从接触表面形貌的角度求得了真实接触面积,进而得到了各粘附对间的粘附强度,结果与采用简单紧束缚自洽矩方法计算所得理论结果一致。研究表明,超高真空下过渡金属间存在一种相互作用——由两金属间共用电子引起的化学键,而且主要由其外层d电子态密度所决定。过渡金属Nb与Nb、Ta、W、Ti之间粘附强度的实测值介于每对原子0.2～2.0eV之间。当样品受热升温后,由于C、N、B、S等少量非金属杂质的表面偏析致使粘附强度明显降低。     

风洞中灰尘在不同特性玻璃表面上粘附形貌和粘附程度的实验研究

为探究室外环境中玻璃上灰尘的形貌特征和粘附程度,本研究选择三种生活中常见的玻璃安装的角度以及三种不同特性的玻璃,利用风洞实验可控环境条件和实验参数的特性,通过工业相机拍摄得到灰尘在玻璃上的粘附形态．本方法解决了过去玻璃积灰实验周期长、难定量、误差大的问题,并利用改进的区域自适应阈值图像识别算法,分别得到不同角度下玻璃上灰尘的总数、灰尘粒径大小、不同粒径灰尘的占比、灰尘平均长轴长度等．结果表明：相同时间内,同种角度下没有涂层的玻璃比有涂层的玻璃更易吸附灰尘,且没有涂层玻璃上面积较大的灰尘更不容易脱落．同种玻璃,放置角度越大,灰尘数量越多．同种玻璃上颗粒物面积大于15 μm2灰尘颗粒数量占灰尘总数的41.9 %左右．所有实验组玻璃上的灰尘平均长轴长度均在11~18 μm之间,灰尘的长宽比均分布在1.34 上下．此项研究可为定量研究玻璃积灰奠定基础,并为工业领域中玻璃防尘、除灰技术等提供技术参考．     

海洋生物水下粘附机理及仿生研究

生物粘附行为往往是生物在长期进化过程中获得的一种特殊功能或者生存能力,然而仿生水下粘附材料和结构如何充分再现生物材料的自适应能力一直是工程材料领域的研究难点. 本文作者基于自然界中丰富的粘附方式,详细介绍了几类典型海洋生物(贻贝、藤壶、沙塔蠕虫、章鱼、?鱼、鲍鱼、海胆)的水下粘附机理,并概述了相关的仿生设计(如DOPA改性水凝胶、吸盘贴、海胆机器人等)及其应用前景. 最后,对目前海洋生物粘附机理和相关仿生研究进行归纳总结,阐述存在的问题,提出深入研究典型海洋粘附生物“粘附-脱附”的动态过程和调控机理的必要性,并进一步指出仿生粘附研究在未来可逆、可控、绿色的发展方向和趋势.      

磁控溅射TiN界面结合强度的压痕法测试

在试验的基础上提出了测量ＴｉＮ涂层界面结合强度的弹塑性赫兹接触应力经验修正公式,作为实例测量了不同基体表面粗糙度对磁控溅射沉积的ＴｉＮ涂层界面结合强度的影响,将测量结果与其它测量方法所得结果进行比较,证明提出的方法切实可行。     

轮胎有限元分析技术及其在轮胎结构优选中的应用

建立了一个轮胎结构有限元分析模型,考虑了轮胎变形的几何非线性、轮胎与地面和轮胎与轮辋的大变形非线性接触、轮胎材料的非均匀性、橡胶材料的不可压缩性和物理非线性及橡胶基复合材料的各向异性.此外,还探讨了这种轮胎有限元分析模型在轮胎结构优选中的应用.     

Quantification of the stiffness and strength of cadherin ectodomain binding with different ions

The stiffness and strength of extracellular (EC) region of cadherin are proposed to be two important mechanical properties both for cadherin as a mechanotransductor and for the formation of cell-cell adhesion. In this study, we quantitatively characterized the stiffness and strength of EC structure when it binds with different types of ions by molecular dynamics simulations. Results show that EC structure exhibits a rod-like shape with high stiffness and strength when it binds with the bivalent ions of calcium or magnesium. However, it switches to a soft and collapsed conformation when it binds with the monovalent ions of sodium or potassium. This study sheds light on the important role of the bivalent ions of calcium in the physiological function of EC.     

基于形状改变能密度的岩石强度准则研究

分析砂岩在常规三轴压缩试验过程中弹性应变能密度、体积改变能密度和形状改变能密度的演化规律,根据峰值形状改变能密度与围压的线性变化关系建立形状改变能密度岩石强度准则。结果表明：（1）体积改变能密度与形状改变能密度,在峰前阶段逐渐增加,峰后急剧下降;（2）形状改变能密度强度准则参数物理意义明确,且可通过参数变换转化为经典的Hoek-Brown准则;（3）形状改变能密度强度准则计算结果与8种不同类型岩石的常规三轴压缩试验结果基本一致,验证了准则的精确性和适用性。     

Contact radius of stamps in reversible adhesion

A mechanics model is developed for the contact radius of stamps with pyramid tips in transfer printing. This is important to the realization of reversible control of adhesion, which has many important applications, such as climbing robots, medical tapes, and transfer printing of electronics. The contact radius is shown to scale linearly with the work of adhesion between the stamp and the contacting surface, and inversely with the plane-strain modulus of the stamp. It also depends on the cone angle and tip radius of the stamp, but is essentially independent of details of the tip geometry.     

粉末热压扩散与应力场耦合的力学模型

以弹性接触应力场为初始条件,建立了热压条件下球形颗粒表面扩散与应力场耦合的力学模型. 引入包含表面能项级数形式的应力函数,以描述随时间演化的表面扩散过程及扩散对应力场演化的影响. 而应力场通过改变化学势梯度,又会促进(或阻止)表面扩散结合的进程.利用该模型分析了压力、温度和界面区应力场演化对致密化参数的影响. 比较了满足粘着或非粘着对结合宽度和应力分布的影响,将考虑粘着的弹性接触应力场作为初始条件,分析了弹性变形和表面扩散共同驱动的粉末冶金热压烧结致密化规律.      

A model for computational investigation of elasto-plastic normal and tangential contact considering adhesion effect

With the rapid development of Micro-Electro-Mechanical System (MEMS), we enter a field in which the surface effects have dominated many of the micro-scale phenomena, and the adhesive contact is one of the focuses. In this paper, a feasible model for finite element computation is presented via a macroscopic and microscopic combination approach, in which the adhesive forces are simulated by some non-linear spring elements considering the softening stage. Two basic problems concerning the adhesion effect were considered; through specific quantitative analysis, the results show a consistency with the current elastic continuum theories of adhesion and a brief investigation into the effects of adhesion on plastic deformation and tangential contact will be carried out as well. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10172050, 90205022) and Key Grant Project of Chinese MoE (0306)     

聚合物粘结剂PVP、PAM和PVA结构与性能的分子动力学研究

在粉末打印骨支架的工艺中,粘结剂的性质是影响骨支架质量的关键因素。采用分子动力学的模拟方法对三种常用高分子粘结剂的体系进行了构建和模拟,从微观分子层面研究了聚合物粘结剂PVP,PAM和PVA的部分性质,比如密度、内聚能及力学性能,并对三种粘结剂的性能参数进行了比较,对其内在关系进行了揭示。此外,还通过建立粘结剂与羟基磷灰石的界面相互作用模型,对三种粘结剂与羟基磷灰石的界面结合能进行了计算和比较,分析了影响高聚物粘结特性的根本原因。这一工作不仅对常用粘结剂的基本性质进行了预估,而且对骨支架粉末粘结工艺中粘结剂的选择提供了理论依据。     

Thermo-electro-structural coupled analyses of crack arrest by Joule heating

Using the finite element method, thermo-electro-structural coupled analyses of the cracked conducting plate under high electric current have been solved. The crack contact condition and temperature-dependent material properties are considered in this analysis. The crack tip temperature, electric current density factor, stress intensity factor and strain energy density factor are obtained for discussions. Due to high electric current density and Joule heating at the crack tip, a circular melting area may exist around the tip. After cooling, a circular void or hole may occur at the crack tip and the crack arrest is achieved. The crack tip temperature decreases when the crack contact area increases. The proper tensile load is necessary for making the crack open enough and causing high current density at the crack tip and associated crack arrest. On the other hand, the crack tip temperature increases with time by the increasing external current and Joule heating. The values of mode-I stress intensity factor and strain energy density factor decrease with time due to the thermal deformation around the crack tip. Because of the temperature-dependent resistivity, the variation of the electric current density factor is complicated. In addition, it is not easy to create a crack-arrest condition when the crack length relative to the plate width is too small.     

Mixed mode fatigue crack growth in test coupons made from 2024-T3 aluminum

In this paper, two different fracture criteria are applied to determine the crack trajectory or angle of crack propagation in test specimens containing inclined cracks emanating from open holes. Also, different crack growth rate models are assumed for each criterion. The maximum principal stress criterion is used with a crack growth-rate equation based on an effective stress intensity factor. The strain energy density criterion is used with a crack growth-rate equation corresponding to an effective strain energy density factor. The crack growth-rate models for each criterion were constructed using unpublished fatigue crack growth data for 2024-T3 aluminum.