微流控剪切装置内生化信号加载与控制的数值仿真研究

摘要

细胞微环境与细胞信息调控之间关系的研究一直是细胞生物学领域研究的热点方向之一。由于在体细胞所处的微环境十分复杂，直接进行在体研究较为困难，因此对细胞的离体研究成为了细胞生物学研究的常用手段。基于微流控技术搭建的微流控剪切装置可以对细胞加载期望的生化信号以及剪切力，已经成为近年来模拟细胞动态生化微环境的重要平台。为了研究细胞微环境与细胞信息调控之间的定量关系，能实现对微流控剪切装置内的细胞定量加载生化信号溶液十分关键。在利用微流控剪切装置进行生化信号加载的研究中，大都忽略了生化信号传输衰减的影响，缺少对生化信号加载过程的分析与控制。因此需要对微流控剪切装置内生化信号加载过程进行定量分析，找到减小生化信号加载过程误差的方法。
　　本论文对微流控剪切装置内生化信号的定量加载与控制过程进行了数值仿真研究，主要内容包括：(1)分析了矩形微流通道内的基本流体力学特性，并通过求解Taylor-Aris弥散方程研究了生化信号在矩形微流通道内的传输特性；(2)根据矩形微流通道的传输系统特性设计了PID控制器，并对低频生化信号的定量加载过程进行了数值仿真；(3)对在ATP(三磷酸腺苷，Adenosine Triphosphate)“远程”调控血管内皮细胞的钙离子信号中的应用做了进一步的研究。通过以上研究可以得到下列结论：低频的生化信号在传输中受到微流动、传输距离、信号波形等因素的影响小，波形失真不明显；基于PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分）控制器，微流控剪切装置中的生化信号能够得到定量的加载与控制，并且从原理上可以减小外界的低频干扰；基于PID控制器可对微流控剪切装置中的细胞定量加载ATP信号，从而实现ATP“远程”调控血管内皮细胞内的钙离子信号。
　　本论文工作为有效使用微流控剪切装置实验研究动态微环境与细胞功能的定量关系提供了一定的理论可行性和方法学基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容与创新点

1.4 本文组织结构

2 微流控剪切装置内的流体力学与PID控制技术

2.1 微流控剪切装置简介

2.2 微流通道中的基本流体力学

2.3 PID控制技术

2.4 本章小结

3 动态生化信号在微流通道中的传输特性

3.1 数值仿真方法

3.2 微流动对生化信号传输的影响

3.3 传输距离的影响

3.4 生化信号波形的影响

3.5 本章小结

4 基于PID控制器定量加载生化信号的数值仿真

4.1 基于PID控制器加载生化信号的原理

4.2 数字PID控制算法

4.3 PID控制器参数整定

4.4 PID控制仿真结果与分析

4.5 本章小结

5 在ATP“远程”调控血管内皮细胞钙离子信号中的应用

5.1 ATP“远程”调控钙离子信号原理

5.2 血管内皮细胞内钙离子动力学模型

5.3 钙离子调控结果与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢