一种高G加载装置的研制及高G下细胞的有限元仿真

摘要

目前，极端力学环境下机体组织的损伤、适应、修复越来越受到研究人员的重视，航空航天、载人飞船等都关系到高加速度（高G）环境下飞行人员的生理状态。应用于军事科学上的实验装置普通实验室很难获得，目前，普通实验室的离心机主要进行样品的离心分离或制备，能够对细胞高G力学生物学研究的装置很少，并且普遍有不易操作等问题。本文利用现有的实验设备，研制了一种新型高加速度离心加载装置，可以使用实验室常见的实验器材如培养瓶、培养板以及培养皿直接进行装夹，方便了高G加载实验过程。 首先利用SolidWorks设计出模型，导入ANSYS中进行有限元分析，根据课题组实验要求，离心装置需要满足0～40g的恒加速度要求以及0～0.8g/s的变加速度要求，确保结构满足强度要求后，然后进行加工制造。将密封完整的培养瓶和培养板盛满培养细胞的培养液放入加工完成的转子之中，培养板用硅胶板夹紧，转子盖拧紧，实验过程中需要保证两端质量分布均匀，以免发生侧倾，保证实验顺利进行。此外，利用解析方法，变化转子或培养板的尺寸，计算出细胞在不同位置所受切向加速度和法向加速度的关系，并用曲线及曲面表示。 对于单个细胞，首先根据目前研究成果，利用三维建模软件建立单个细胞模型，选取合适材料参数，对于高加速度下培养的细胞，做了生物力学研究：首先，简化细胞模型，虽然细胞具有多种复杂细胞器，但本模型只包含主要的包括细胞核、细胞质和细胞膜，细胞器均匀化在细胞质中；其次，由于细胞放置在培养液之中，受到多种力的综合作用，为了简化仿真过程，假设细胞只受到重力和高加速度的共同作用。同时，对于单个细胞模型导入ANSYS Workbench之中，分别施加5G、10G、15G、20G、25G以及30G的高加速度，观察在高加速度情况下细胞的应力应变情况，为接下来的力学生物学研究做铺垫。 本论文为力学生物学研究设计的实验设备，应用到高加速条件下细胞的力学生物学行为研究，为细胞高加速度加载提供了一种可实验室实现的思路。此外，我们建立了一种细胞三维模型，导入有限元分析软件ANSYS Workbench中进行分析，为接下来揭示高G条件下细胞力学生物学的研究做准备。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究目的和意义

1.2 生物反应器的介绍

1.3 单个细胞的力学生物学研究

1.4 高加速度加载机以及单个细胞研究现状

1.5 研究内容及创新之处

第二章 高加速度加载机的设计与制造

2.1 离心机介绍

2.2 高加速度加载机的设计与制造

2.3 离心高加速度加载机实验验证

2.4 本章小结

第三章 离心式加载贴壁细胞的加速度分析

3.1 培养皿夹具的设计与制造

3.2 细胞在不同位置不同加速度分布的研究

3.3 本章小结

第四章 单个细胞模型的建立及有限元仿真

4.1 细胞模型建立的理论基础

4.2 细胞的有限元分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2 前景展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢