中国力学学会 青年学术沙龙第三十二次活动

1. 中国力学学会 青年学术沙龙第三十二次活动 2007年1月31日

2. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 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

3. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 内容: • 生物材料的缺陷非敏感尺度 • 细胞方向重新排列 • 生物分子对环境变化的敏感性 • 壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附 • 小结

4. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 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

5. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 1、生物材料的缺陷非敏感尺度 Gao, H., Chen S., J. Appl. Mech., 2005, 72, 732

6. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 1、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, 732

7. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 1、生物材料的缺陷非敏感尺度 Dugdale model:

8. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 1、生物材料的缺陷非敏感尺度 Diamond Bio-mineral :

9. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 内容: • 生物材料的缺陷非敏感尺度 • 细胞方向重新排列 (广义JKR及MD模型) • 生物分子对环境变化的敏感性 • 壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附 • 小结

10. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 2、细胞方向重列问题 研究背景 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. Bao, Suresh, Nature meterials, 2003, 2(11),715-725

11. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 2、细胞方向重列问题 研究背景 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

12. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 2、细胞方向重列问题 研究背景 After 3 h of 10% pure uniaxial stretching, the cells reoriented perpendicular to the initial stretching direction J. H.-C. Wang, et al. J. Biomech. 2001, 34, 1563

13. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 2、细胞方向重列问题 细胞与细胞外介质的特殊粘结 Schematicdrawing of a fiberonectin-coated bead that is coupled to the cell cytoskeleton via integrins. Chu, et al., PRL, 2005 Gang Bao, J. Mech. Phy. Solids, 2002, 50, 2237; Bausch et al., 1998, Biophysical Journal, 75, 2038

14. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 Cylinder Substrate e 2、细胞方向重列问题 A、二维广义JKR模型 目的：拉应变如何影响接触面积？ S. Chen, H. Gao, 2006, Proc. R. Soc. Lond. A 462, 211–228.

15. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 2、细胞方向重列问题 A1）一般情况的解： 位移连续条件： 格林方程： S. Chen, H. Gao, 2006, Proc. R. Soc. Lond. A 462, 211–228.

16. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 2、细胞方向重列问题 A1）一般情况的解： 界面应力： 奇异指数： 应力强度因子： Griffith准则：

17. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 2、细胞方向重列问题 A2）非振荡解 非振荡条件： 应力强度因子： 控制方程： 解析解：

18. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 Cylinder Substrate 2、细胞方向重列问题 A3）结果分析 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。

19. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 2、细胞方向重列问题 A3）结果分析 封闭解： B、广义MD模型：S. Chen, H. Gao, 2006, Int. J. Mater. Res. 97, 584-593.

20. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 内容: • 生物材料的缺陷非敏感尺度 • 细胞方向重新排列 • 生物分子对环境变化的敏感性(2D及3D模型) • 壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附 • 小结

21. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 3、生物分子或细胞的环境变化敏感性 研究背景 Receptor–ligand 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, 2237

22. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 3、生物分子或细胞的环境变化敏感性 A、三维模型 S. Chen , H. Gao, 2006, J. Mech. Phys. Solids 54, 1548-1567.

23. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 3、生物分子或细胞的环境变化敏感性 A1）结果分析 近似解： S. Chen , H. Gao, 2006, J. Mech. Phys. Solids 54, 1548-1567.

24. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 3、生物分子或细胞的环境变化敏感性 A1）结果分析 失配应变对拉脱过程的影响

25. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 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

26. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 3、生物分子或细胞的环境变化敏感性 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：

27. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 F A B F 3、生物分子或细胞的环境变化敏感性 A3）黏附控制的形变感应器 B、二维模型 S. Chen , H. Gao, 2006, Int. J. Solids Struct., (in the Press)

28. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 内容: • 生物材料的缺陷非敏感尺度 • 细胞方向重新排列 • 生物分子对环境变化的敏感性 • 壁虎、蚱蜢等昆虫的可逆黏附 • 小结

29. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附 研究背景 Hierarchical fibrillar structure Autumn et al., (2000, 2002)；Huber et al. (2005);Gao, et al. (2005)

30. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附 研究背景 The 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.

31. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附 研究背景

32. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附 研究背景 Gao, et al., 2005, Mech. Mater. 37, 275-285.

33. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附 研究背景 Yao and Gao, 2006, J. Mech. Phys. Solids 54, 1120-1146.

34. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 Rigid cylinder Isotropic plane Transversely isotropic elastic half space 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附 各向异性广义JKR模型 考察 与 的关系，如何影响拉脱力及 黏附强度的大小？ 接触模型 S. Chen , H. Gao, 2006, J. Mech. Phys. Solids, (in press)

35. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 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)

36. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附 接触模型的解 格林方程： 系数与材料常数相关：

37. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附 最终控制方程 系数：

38. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 Rigid cylinder Isotropic plane Transversely isotropic elastic half space 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

39. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 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

40. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 4、壁虎、蟋蟀等昆虫的可逆黏附 结果分析 stiff direction： soft direction： stiff-adhere and soft-release

41. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 小结 • 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。 • 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。

42. 中国力学学会青年学术沙龙第32次活动 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。 Thanksforyourattention!