球形核-壳结构凝胶的非高斯行为及不稳定性的数学建模与分析

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11702027
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    28.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0801.固体变形与本构理论
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Polymer gels have important applications in the biomedical field and particularly, they are used as carriers of stem cells in the stem cell therapy. Experiments showed that the mechanical properties such as the modulus and morphology of the gels can determine the fate of stem cells. This project aims to explore theoretically how the mechanical properties of a spherical core-shell gel system can be controlled by parameters so that suggestions can be provided for designing a proper gel carrier. Specifically, we plan to study the non-Gaussian behavior of the modulus in the large inhomogeneous deformation. On the other hand, the mechanisms lying under the complex morphologies during the instability will also be explored. For the former aspect, there existed experimental observations but seldom did any theoretical works explore it systematically. We plan to define the modulus (or effective stiffness) of the swollen gel though derivation, then reveal its behaviors based on numerical as well as analytical methods. For the latter aspect, we aim to obtain the critical condition for the instability and influences of parameters on the critical state by virtue of linear bifurcation analysis. Based on above results, comparisons will be made between critical conditions for the non-Gaussian behavior and the instability so that relevant suggestions can be provided for the design of a proper gel carrier. After that, in the non-linear bifurcation analysis, we intend to derive the critical condition for crease and construct various pathways leading to crease patterns. The crease patterns are highly non-linear and we intend to use the idea of spline approximation as well as the consistent beam theory to tackle this problem. We expect to obtain results which will help to understand some complex biological morphologies (such as the sulcus of brain) and will also give advices on proper intervention.
凝胶材料在生物医学领域有重要的应用价值,特别地,凝胶在干细胞治疗中用作干细胞的载体。实验证明凝胶的力学性质,如模量及形态特征可以决定干细胞的分化方向。本项目试图从理论上探索球形核-壳结构凝胶的力学性质如何受参数影响,从而为设计合理的凝胶载体提供建议。具体地,我们打算研究在非均匀大变形中凝胶模量的非高斯行为,以及在不稳定性中复杂形态产生及相互转换的机理。对于前者,文献中存在实验观察的结果,但少有理论对其进行系统地探究。我们计划先通过推导定义出膨胀后凝胶的模量(或有效硬度),然后从数值以及解析的角度揭示该模量的行为。对于后者,我们打算先进行线形分叉分析得到发生不稳定的临界条件及参数对临界模态的影响。在此基础上,将模量的非高斯行为与材料的不稳定性发生条件进行对比,并给出设计合理凝胶载体的相关建议。接着,我们将在非线形分叉分析中得到crease皱褶发生的临界条件及形成路径,并考察参数的影响。对于crease皱褶这样高度非线形的变形,我们打算使用样条分析的思想以及一致性梁理论来进行处理,得到的结果将有助于理解一些复杂生物形态(比如大脑沟回)的形成机理,并有可能为合理干预提供建议。

结项摘要

凝胶的大变形和失稳及由此而带来的力学性能在医药、工程、能源、环境等领域均有巨大的实用价值和广泛的社会需求,因而具有重大的研究意义。本项目综合利用了数学及力学中各种分析工具(如级数展开、摄动展开、线性分岔分析、弱非线性分岔分析等)来研究凝胶的力学响应问题及相关课题。项目执行期间,研究工作进展顺利,在包括Journal of Mechanics and Physics of Solids, Physical Review E 等在内的国际权威期刊共发表SCIE论文5篇,基本完成预定目标。所取得的重要研究成果包括:使用板壳增量变形理论来研究板壳状凝胶的分岔及后分岔问题;该研究成果推导的板壳增量变形理论和有限元方法结合可以极大地提高数值计算的效率。半解析地研究了三层球形核壳状凝胶不均匀溶胀导致的凝胶内部硬度分布,并通过调整参数模拟了人体皮肤及甲状腺组织的硬度范围;该研究成果从力学角度提供了一个简单可控的方法来生产(干)细胞所需的组织环境。使用有限体积生长理论推导出二维及三维无应力生长模型,求得的解析解可用于描述多种植物及菌类的生长形貌演化;该研究成果为生物组织的生长机理提供了可能的解释,并且可以用于制作具有特定变形功能的凝胶。推导出适用于线性各向异性材料的渐进一致杆理论,该杆理论可以在将来被推广为新型有限应变杆理论,用来研究杆状软物质的大变形及不稳定性。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
On a consistent rod theory for a linearized anisotropic elastic material: I. Asymptotic reduction method
线性各向异性弹性材料的一致杆理论:一、渐近约简法
  • DOI:
    10.1177/1081286520949602
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
    Mathematics and Mechanics of Solids
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Xiaoyi Chen;Hui-Hui Dai;Erick Pruchnicki
  • 通讯作者:
    Erick Pruchnicki
Physical principles of morphogenesis in mushrooms
蘑菇形态发生的物理原理
  • DOI:
    10.1103/physreve.00.002400
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Physical Review E
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    X. Chen;P. Ciarletta;H.-H. Dai
  • 通讯作者:
    H.-H. Dai
An incremental plate theory for polymer gels in equilibrium
平衡聚合物凝胶的增量板理论
  • DOI:
    10.1016/j.mechrescom.2019.03.001
  • 发表时间:
    2019-03
  • 期刊:
    Mechanics Research Communications
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Xiaoyi Chen;Hui-Hui Dai
  • 通讯作者:
    Hui-Hui Dai
Stress-free configurations induced by a family of locally incompatible growth functions
由一系列局部不相容的生长函数引起的无应力配置
  • DOI:
    10.1016/j.jmps.2019.103834
  • 发表时间:
    2020-04
  • 期刊:
    Journal of Mechanics and Physics of Solids
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xiaoyi Chen;Hui-Hui Dai
  • 通讯作者:
    Hui-Hui Dai
Stiffness distribution of a spherical gel structure and bifurcation analysis with application to stem-cell differentiation
球形凝胶结构的刚度分布和分叉分析及其在干细胞分化中的应用
  • DOI:
    10.1016/j.ijnonlinmec.2020.103640
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
    International Journal of Non-Linear Mechanics
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Xiaoyi Chen;Hui-Hui Dai
  • 通讯作者:
    Hui-Hui Dai

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其他文献

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生物软壳的生长、突跳失稳和快速运动的建模与分析
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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