中国力学学会中国力学学会青年学术沙龙第三十二次活动青年学术沙龙第三十二次活动2007年1月31日生物现象中的几个力学问题报告人：陈少华 (S. Chen)中科院力学所LNM室合作者：Prof. H. Gao （Brown University）2007年1月31日于力学所1. 生物材料的缺陷非敏感尺度2. 细胞方向重新排列3. 生物分子对环境变化的敏感性4. 壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附5. 小结内容:1、生物材料的缺陷非敏感尺度骨头、木头、牙齿等自然生物材料容忍许多尺度的裂纹缺陷1、生物材料的缺陷非敏感尺度Gao, H., Chen S., J. Appl. Mech., 2005, 72, 7321、生物材料的缺陷非敏感尺度Griffith model:Flaw tolerance size:Gao, H., Chen S., J. Appl. Mech., 2005, 72, 7321、生物材料的缺陷非敏感尺度Dugdale model:1、生物材料的缺陷非敏感尺度Diamond Bio-mineral :1. 生物材料的缺陷非敏感尺度2. 细胞方向重新排列 (广义JKR及MD模型)3. 生物分子对环境变化的敏感性4. 壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附5. 小结内容:Living cells can sense mechanical forces and convert them into biological responses. Similarly, biological and biochemical signals are known to influence the abilities of cells to sense, generate and bear mechanical forces. Details of mechanical, chemical and biological interactions in cells remain elusive. 研究背景Bao, Suresh, Nature meterials, 2003, 2(11),715-7252、细胞方向重列问题After 24h cyclic stretch, the cells in the control cultures, left column, have no apparent preferential orientation; The 4% stretch clearly reduced the number of cells oriented in the stretch direction; This effect increased at 8% and 12% stretches.C. Neidlinger-Wilke, et al., J. of Orthopaedic Research, 2001, 19, 286研究背景2、细胞方向重列问题After 3 h of 10% pure uniaxial stretching, the cells reoriented perpendicular to the initial stretching directionJ. H.-C. Wang, et al. J. Biomech. 2001, 34, 1563研究背景2、细胞方向重列问题Gang Bao, J. Mech. Phy. Solids, 2002, 50, 2237; Bausch et al., 1998, Biophysical Journal, 75, 2038细胞与细胞外介质的特殊粘结Schematic drawing of a fiberonectin- coated bead that is coupled to the cell cytoskeleton via integrins.2、细胞方向重列问题Chu , et al., PRL, 2005SubstrateCylindere2、细胞方向重列问题A、二维广义JKR模型S. Chen, H. Gao, 2006, Proc. R. Soc. Lond. A 462, 211228. 目的：拉应变如何影响 接触面积？A1）一般情况的解：位移连续条件：格林方程：2、细胞方向重列问题S. Chen, H. Gao, 2006, Proc. R. Soc. Lond. A 462, 211228. 界面应力：奇异指数：应力强度因子：Griffith准则：A1）一般情况的解：2、细胞方向重列问题A2）非振荡解应力强度因子：控制方程：解析解：非振荡条件：2、细胞方向重列问题整个实验过程分为三个阶段；存在两个临界外载幅值，控制细胞方向的重新排列。2、细胞方向重列问题A3）结果分析SubstrateCylinder封闭解：2、细胞方向重列问题A3）结果分析B、广义MD模型： S. Chen, H. Gao, 2006, Int. J. Mater. Res. 97, 584-593. 1. 生物材料的缺陷非敏感尺度2. 细胞方向重新排列3. 生物分子对环境变化的敏感性(2D及3D模型)4. 壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附5. 小结内容:Receptorligand binding can be affected by protein deformation. (a) A good conformational match between the receptor and ligand leads to strong binding and reaction. (b) When the receptor deforms under force, the binding affinity decreases due to poor conformational match.Gang Bao, J. Mech. Phy. Solids, 2002, 50, 22373、生物分子或细胞的环境变化敏感性研究背景A、三维模型3、生物分子或细胞的环境变化敏感性S. Chen , H. Gao, 2006, J. Mech. Phys. Solids 54, 1548-1567. 近似解：3、生物分子或细胞的环境变化敏感性A1）结果分析S. Chen , H. Gao, 2006, J. Mech. Phys. Solids 54, 1548-1567. 失配应变对拉脱过程的影响3、生物分子或细胞的环境变化敏感性A1）结果分析失配应变与拉脱力的关系3、生物分子或细胞的环境变化敏感性A1）结果分析A2）能量分析 给定失配应变情况下，整个黏附能量： 表面能的变化：弹性能的变化：3、生物分子或细胞的环境变化敏感性ABFFA3）黏附控制的形变感应器 3、生物分子或细胞的环境变化敏感性S. Chen , H. Gao, 2006, Int. J. Solids Struct., (in the Press)B、二维模型1. 生物材料的缺陷非敏感尺度2. 细胞方向重新排列3. 生物分子对环境变化的敏感性4. 壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附5. 小结内容:Autumn et al., (2000, 2002)；Huber et al. (2005);Gao, et al. (2005)研究背景4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附Hierarchical fibrillar structureThe toy (15 cm high; weighing 40 g) has its hand covered with the microfabricated gecko tape, which provides a 0.5 cm2 contact with the glass and a carrying capacity of 100 g.Geim, A.K. et al., (2003) Nat. mater. 2, 461- 463. 研究背景4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附研究背景4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附研究背景4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附Gao, et al., 2005, Mech. Mater. 37, 275-285. 研究背景4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附Yao and Gao, 2006, J. Mech. Phys. Solids 54, 1120-1146. 各向异性广义JKR模型Rigid cylinder Isotropic planeTransversely isotropicelastic half space接触模型4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附S. Chen , H. Gao, 2006, J. Mech. Phys. Solids, (in press)考察 与 的关系，如何影响拉脱力及黏附强度的大小？4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附横观各向同性体Barnett-Lotte 张量： S. Chen , H. Gao, 2006, J. Mech. Phys. Solids, (in press)格林方程：系数与材料常数相关：4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附接触模型的解4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附最终控制方程系数：4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附结果分析影响拉脱过程的参数Rigid cylinder Isotropic planeTransversely isotropicelastic half space考察 与 的关系，如何影响拉脱力及黏附强度的大小？4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附结果分析stiff-adhere and soft-release 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附结果分析stiff direction： soft direction： 1.利用简单的模型讨论了生物材料的缺陷不敏感概念及相关尺度。2.建立了二维广义JKR 及广义MD 模型：发现外界应变存在两个临界值 将脱黏过程分为三个阶段，与细胞重新排列方向的过程非常相似，提供 了解释的可能性。建立了二维及三维广义JKR模型，分析了环境压力、温度的变化对生物 分子之间黏附的影响。建立了各向异性广义JKR模型，解释了壁虎、蚱蜢等昆虫通过黏附与脱 黏的交替，实现自由运动的机理：刚度大的方向黏附强度最强，刚度小 的方向黏附强度最弱。改变角度实现黏附及脱黏的交替。小结致谢感谢2003年2005年Max Planck Visiting Scientist Fellowship 及国家自然科学基金No. 10672165的支持。 Thanks for your attention!