【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于显微操作生物建模，具体涉及一种基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法。
技术介绍
1、显微操作技术是在高倍复试显微镜下，通过显微操作器对细胞或者早期胚胎进行操作的方法。作为细胞工程中的一种重要操作手段，显微操作技术被广泛应用在早期胚胎以及细胞操作中。
2、随着计算机与机器人技术的快速发展，机器人化的显微操作技术也变得越发成熟，相比于人工操作，机器人化的操作技术也变得越发的成熟。相比于人工操作，机器人化的显微操作技术不需要专业人员的操作，同时拥有污染小，可重复性高的特点，操作的成功率也有了大幅度的提高。
3、但是生物细胞在显微操作中会产生机械形变，若细胞的持续形变未能得到及时的缓解，会导致细胞的结构破坏，进而影响后续的发育，严重时会导致细胞死亡。因此提高显微操作后细胞的存活率和胚胎的发育潜能是推广显微操作方法的关键问题。
4、有各项研究表明，细胞内应变是连接显微操作和细胞损伤的关键节点，现有的一些细胞内应变感知方法需要在细胞上或者细胞中附着物理标记或者传感装置；基于点追踪的视觉方法能够有效的在不伤害细胞的情况下，通过二维图像感知应变，但无法给出三维空间中的应变；在这种背景下，我们可以通过仿真方式来得到细胞模型的内应变并发现规律，因此一种能够反应细胞在操作中形变的模型就显得十分有必要。
技术实现思路
1、本专利技术解决了现有技术存在的问题，提供了一种基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法。该方法能够计算细胞模型在不同参数下的内应变，
2、为了实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法，按照以下步骤进行：
3、步骤1)建立耗散粒子动力学细胞膜模型：
4、步骤2)确定仿真边界条件以及系综积分器类型：在耗散粒子动力模拟软件中分别确定仿真环境在三维方向上的边界、边界类型以及系综；
5、步骤3)细胞膜与细胞骨架模型进行聚合；
6、步骤4)在仿真环境中搭建微针刺入实验平台并启动微针刺入实验
7、4.1将微针，吸持针模块载入仿真环境，所述微针为半径为ri，内径为ri，长度为li的空心圆柱体结构；所述吸持针为半径为rs，内径为rs，长度为ls的圆柱体；
8、4.2将细胞模型载入仿真环境，置于微针与吸持针之间，相互间隔0.5个仿真距离，同时使微针和吸持针的针口相对，沿细胞直径摆放；
9、4.3给细胞模型添加膜损伤的条件，使得细胞膜上组成三角面片的边长度超过阈值之后断裂；
10、4.4在吸持针针口添加一个力场作为吸持负压，以固定细胞模型的位置；在吸持稳定后，给予微针一个固定大小的速度vi，朝向细胞中心的方向运动，设定时间步长ts以及仿真步数，进行仿真；
11、步骤5)计算细胞在刺入方向上的应变
12、将微针刺入仿真数据进行处理，使用有限应变理论进行分析和计算，输出正应变。
13、进一步的，所述步骤5)的具体步骤如下：
14、5.1首先将步骤4)中三维仿真结果进行采样，并将采样结果投影到二维平面上；
15、5.2将结果中第一帧为原始构型，细胞磨破损前一帧当前构型，分别计算两帧中细胞模型每个粒子i和周围邻居粒子j的距离差值向量d0、d；
16、5.3计算局部仿射变换矩阵j，其中∑j∈n|d0j-d|＝0，矩阵j为离散状态下的形变梯度张量；
17、5.4使用极分解定理将变换矩阵j分解为唯一的一组正交的局部的旋转张量r和拉伸张量u，其中u表示为当前构型中距离差值与初始构型中距离差值的比值，将应变定义为e＝u-i，其中i为单位矩阵，则应变张量e为当前构型下的距离差值的伸长量和初始构型下的距离差值的比值，其主对角元素为x，y，z方向的正应变。
18、进一步的，所述步骤1)中细胞膜模模型结构由球面上一系列三角网格来表示，使用耗散粒子动力学的粒子表示三角面片的顶点，顶点之间通过弹簧边连接，能量约束建模时考虑弹性能量、弯曲能量以及网格的面积约束能量和体积约束能量。
19、进一步的，所述步骤2)中在三个方向上均采用周期性边界，来保证体系内的物质守恒，系综选用微正则系统保证体系能得能量守恒。
20、进一步的，所述步骤3)所述聚合/解聚模型采用基于亲和力的玻尔兹曼分布推导出的成键/解离速率表达式，当交联蛋白粒子与微丝粒子距离足够近的时候，能够以kon的速率形成一个键，相反地，如果现有键的长度超过了断裂距离，则以速率koff断裂。
21、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术能够用于耗散粒子动力学的细胞模型上，计算细胞拉伸张量。通过在仿真环境中搭建微针刺入实验平台进行微针刺入实验，计算细胞模型在不同参数下的内应变，以此来反应细胞拉伸张量。通过与现实实验中的视觉方法结果进行对比验证，证明本专利技术计算方法是有效的且对实际的实验操作有着一定的指导意义。
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1.基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
2.根据权利要求1所述的基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法，其特征在于：所述步骤5)的具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法，其特征在于：所述步骤1)中细胞膜模模型结构由球面上一系列三角网格来表示，使用耗散粒子动力学的粒子表示三角面片的顶点，顶点之间通过弹簧边连接，能量约束建模时考虑弹性能量、弯曲能量以及网格的面积约束能量和体积约束能量。
4.根据权利要求3所述的基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法，其特征在于：所述步骤2)中在三个方向上均采用周期性边界，来保证体系内的物质守恒，系综选用微正则系统保证体系能得能量守恒。
5.根据权利要求1所述的基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法，其特征在于：所述步骤3)所述聚合/解聚模型采用基于亲和力的玻尔兹曼分布推导出的成键/解离速率表达式，当交联蛋白粒子与微丝粒子距离足够近的时候，能够以kon的速率形成一个键，相反地，如果现有键的长度超过了断裂距离，则以速率ko
...【技术特征摘要】
1.基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
2.根据权利要求1所述的基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法，其特征在于：所述步骤5)的具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的基于耗散粒子动力学的细胞拉伸张量计算方法，其特征在于：所述步骤1)中细胞膜模模型结构由球面上一系列三角网格来表示，使用耗散粒子动力学的粒子表示三角面片的顶点，顶点之间通过弹簧边连接，能量约束建模时考虑弹性能量、弯曲能量以及网格的面积约束能量和体积约束能量。
【专利技术属性】
技术研发人员：成岱，杜月，蔡昱，王瑞鹏，孙明竹，赵新，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：
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