一种基于abaqus-python的细胞核模型构建方法

1.本发明涉及细胞应力分析技术领域，具体为一种基于abaqus-python的细胞核模型构建方法及其力学分析。


背景技术：

2.基因导入是一种将外源dna导入到细胞内的技术，它可以用于基因治疗、细胞重编程、疫苗开发等领域。目前，已经有许多基因导入技术被开发出来，如化学转染、电穿孔、病毒介导等。然而，这些技术存在许多限制，如效率低、细胞毒性、dna损伤等问题。近年来，纳米针刺入细胞核技术逐渐成为一种新兴的基因导入技术。纳米针是一种由纳米级管道组成的纳米结构，可以在不伤害细胞的情况下将外源dna直接注入细胞核内。纳米针具有高效性、选择性和安全性等优点，因此在基因治疗、细胞重编程等领域具有广泛的应用前景。基因导入和纳米针刺入细胞核技术为研究人员提供了一种有前途的工具，有望为治疗疾病和提高生物学研究水平做出重要贡献，但是目前商用化的纳米探针对细胞核膜的刺入率仅有30％，本发明可以通过仿真模拟分析纳米针刺入过程中细胞核的应力分布情况，优化纳米针参数，促进纳米针的刺入。
3.2009年重庆大学程琴等人利用有限元平台构建了细胞受剪切力作用的三维细胞模型，分析单一细胞在不同部位的应力松弛，其中细胞核整体作为细胞的一个部位进行分析，大部分有限元模型都是将细胞核作为一个整体分析，忽略其内部结构。2021年khunsaraki等将核骨架离散化建模，建立了细胞的张拉整体结构，将核纤层简化为梁，体现了核纤层起到支撑作用的结构功能，而忽略了种类、密度等参数，无法分析核纤层的不同对细胞核力学特性的影响。现有的细胞核有限元模型大部分只能分析细胞核在小范围形变下的应力分布，而细胞核在纳米针刺入过程中会产生较大形变，因此本发明提出一种能够表示出核纤层正交网络特性、可以产生大形变的多结构细胞核有限元模型，可以通过该模型分析纳米针刺入过程中核膜的应力集中情况，进行纳米针参数的优化。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于abaqus-python的细胞核模型构建方法，分析细胞核的力学特性，得出各种细胞核的最佳下针速度和探针粗细。
5.本发明技术方案为：一种基于abaqus-python的细胞核模型构建方法，包括以下步骤：
6.步骤1：根据细胞核力学特性将细胞核结构分成四个部分，由外到内分别为核膜、核纤层a、核纤层b、核质，其中核纤层a与核纤层b共同组成核纤层，二者为独立网络且通过连接蛋白相连；根据实际尺寸在abaqus软件part模块中建立细胞核的各部分几何模型并按照位置分布进行装配；创建刚性平面表示载玻片，载玻片与细胞核模型底部相切，同时创建不同尺寸的纳米针实现刺入动作；
7.步骤1.1：创建核膜；
8.采用内径为2500nm，外径为2550nm的空心球作为核膜；
9.步骤1.2：创建核纤层；
10.采用正交网络薄层作为核纤层，核纤层a的半径为2450nm，正交网络纤维的间距为150nm；核纤层b的半径为2500nm，正交网络纤维的间距为250nm；
11.步骤1.3：创建载玻片和纳米针；
12.根据实际形状创建载玻片和纳米针的形状，纳米针长1～2微米，直径50～400纳米，载玻片为半径5000nm、厚度50nm的圆盘；
13.步骤2：根据细胞核力学结构的材料特性，为核膜、核纤层创建材料属性与截面属性；
14.步骤3：按照各部件的位置进行装配：细胞核部分从内到外依次是核纤层核纤层a、核纤层b、细胞核膜，三者同心装配；载玻片位于细胞核下方，载玻片上表面与核膜的底部接触；纳米针竖直位于细胞核上方，针尖与细胞核膜上表面距离依据需要设置，这里设置为100nm；
15.步骤4：定义abaqus-python的分析步，设置为动力学显示分析步，分析步时长设置为0.15s；
16.步骤5：定义各部件之间的相互作用关系，其中包括：采用连接器表示核膜与核纤层a或核纤层b的连接，节点之间为铰接；核质通过相互作用中的流体腔表示；
17.定义细胞核底部与刚性载玻片之间面与面的相互作用，纳米针的针尖表面与核膜接触表面的面与面相互作用；
18.步骤6：为细胞核力学结构三维有限元模型添加载荷和边界条件，在这里将载玻片固定，位移载荷施加在纳米针上模拟下针过程；
19.步骤7：对细胞核各结构进行网格划分，其中核膜为实体单元，核纤层b为梁单元，核纤层a为桁架，载玻片与纳米针为离散刚体单元；
20.步骤8：选择双精度对细胞核力学结构进行力学响应计算。
21.该模型基于abaqus有限元软件，包含的结构有细胞核膜、核纤层a、核纤层b、核质，其中核质由相互作用关系的流体腔表示，细胞核膜为实体，核纤层b为梁，核纤层a为桁架，因此该模型具备分析特定结构力学特性的能力，如核膜或者核纤层的应力分布情况。
22.基于python的参数化建模可以实现快速建模以及批量连接，提高建模效率与准确度。
23.核纤层a与核纤层b结构具有正交性，二者的离散化建模更接近核纤层的真实结构，且离散化模型可以用来分析核纤层的密度对核膜力学性质的影响。
24.该模型可以用来分析纳米针参数(如纳米针直径以及纳米针刺入速率等)对细胞核应力分布的影响，通过仿真结果优化纳米针参数以提高纳米针刺入细胞核的效率。
附图说明
25.图1为建模总过程流程；
26.图2为python脚本一几何模型构建流程图；
27.图3为python脚本二连接器批量构建流程图；
28.图4为python脚本一gui界面；
29.图5为核膜结构图；
30.图6为核纤层构建过程图；
31.图7为整体装配图；
32.图8为纳米针原位刺入细胞核荧光图像；
33.图9为整体与各部件位移云图。(a)整体位移云图；(b)核膜整体位移云图；(c)核纤层b位移云图；(d)核纤层a位移云图；
34.图10为整体与各部件应力云图。(a)整体应力云图；(b)核膜应力云图；(c)核纤层应力云图；
35.图11为不同针尖直径作用下核膜应力分布图；
36.图12为不同针尖直径下核膜应力沿路径分布；
37.图13为不同针尖速度下核膜应力沿路径分布；
38.图14为不同针尖直径作用下位移形变图(左)以及核膜应力分布图(右)。
39.具体实施步骤
40.本方法利用abaqus有限元软件绘制了小鼠骨髓间充质干细胞细胞核模型并对其进行力学特性分析，同时采用python语言进行二次开发，通过脚本简化模型绘制过程，提高模型绘制的效率与准确性。该模型可以用来计算纳米针刺入细胞核这一过程中，细胞核的主要结构——细胞核膜以及核纤层的应力分布，通过核膜在刺入过程中的应力集中情况优化纳米针参数。1、构建模型及材料设置：在建模过程总流程图中所示，几何模型的构建与材料设置可以通过python脚本一实现，因此在操作上只需要运行脚本一，在gui界面中输入相应的参数，脚本一的gui界面如图4所示，这一步骤的绘制方法流程图如图2所示，脚本中具体实现的操作内容如下：打开abaqus软件，在part模块根据细胞核刺入模型各结构的实际尺寸建立部件，由核膜、核纤层a、核纤层b、载玻片、纳米针组成。
41.步骤1：核膜的构建方法为：由于这里主要分析膜的性质，且核膜厚度相对于细胞核整体来说较小，用一个厚度为50的空心球体表示。新建内径为2500，外径为2550的同心半圆，在端点处连接，绕对称轴旋转360
°
得到核膜的可变形实体部件如图5所示。
42.步骤2：均匀核纤层网络的构建方法：在实际情况下，核纤层为一致密正交网络薄层，正交网络纤维间距根据密度分布在50nm～400nm，其中核纤层b的平均间距大于核纤层a，此模型中设置核纤层b间距为250nm，核纤层a间距为150nm。首先按照核纤层直径绘制圆形线框，在装配界面将线框分别绕两正交轴阵列，阵列数目为合并阵列的实例为一个部件，通过部件裁剪，留下网格均匀的部件的部分，将均匀网格部分旋转阵列6部分，组成完整的网状球，合并阵列的部件，于是得到拥有均匀网格的核纤层部件如图6所示。
43.步骤3：载玻片与纳米针的构建：纳米针与载玻片都是离散刚体，按照形状构建实体后转化为壳，针尖为长1～2微米，直径50～400纳米的圆柱，载玻片为一半径5000，厚度50的圆盘。
44.步骤4：装配：如图所示根据各个机构的位置进行装配，核纤层与核膜同心装配，纳米针位于细胞核上方，针尖与细胞核距离75，载玻片位于细胞膜底部与细胞核相切。图7所示为模型装配图。
45.步骤5：指派截面属性：根据表一的材料属性定义各部件材料，同时赋予截面属性，
其中核纤层b在细胞核中主要起支撑作用，指派为梁，核纤层a主要维持细胞核的刚度，指派为桁架。
46.2、网格划分：membrane近似全局尺寸47，指派网格控制属性六面体扫掠进阶算法，指派单元类型c3d8r；laminaa桁架单元类型为t3d2，laminab梁单元类型为，slide单元类型为r3d4，。
47.3、定义分析步：创建step1动力显示步，时间步长为0.001，开启几何非线性。
48.4、定义相互作用关系：相互作用关系包括1)核质用流体腔表示，选择合适的流体密度与流体体积模量。2)核纤层与核膜通过连接器连接，连接方式为铰接，由于核纤层与核膜连接点数量大，通过脚本二实现，实现的流程图如图3所示。3)接触设置无摩擦通用接触。
49.5、设置载荷与边界条件：位移载荷施加在纳米针针尖的参考点上，载玻片参考点设置固定边界条件。
50.6、提交作业：选择双精度对细胞核力学结构进行力学响应计算与分析。
51.案例分析：
52.1)仿真结果与实验图像对比
53.本发明中的细胞核模型优势一是可以体现细胞核的大变形，图8为liu等人利用纳米针刺入细胞的实验过程图像，从上到下三个阶段依次是纳米针开始下压，纳米针下压到中间位置，纳米针回缩，图8(b)显示出细胞核在下压过程中细胞核的变形情况。图9为模型的整体与各部件位移云图，其中图9(a)为装配体变形图的截面，与图9(b)针尖处的形变状态基本一致。
54.2)纳米针直径的选择
55.纳米针所用直径一般在10nm到500nm不等，直径越小的纳米针针尖一般制造难度较高，在这里分析了六组不同的纳米针针尖直径作为变量，对标准细胞核模型进行刺入分析。
56.六组变量分别是纳米针直径为d1＝50nm、d2＝100nm、d3＝150nm、d4＝200nm、d5＝250nm以及d6＝300nm，在这六种直径针尖作用下核膜的应力分布如图11所示，随着针尖直径的增大，核膜应力分布越来越分散，且最大应力在逐渐减小。为了更加清晰表示应力集中部分应力的大小关系，测量了细胞核截面上半部分路径的应力大小，如图12右上角红色高亮部分为测量应力大小的路径，图12所示针尖直径变化时核膜应力沿路径分布折线图。折线图显示随着针尖直径的增大，最大应力逐渐减小，在纳米针直径增大到200nm时，纳米针针尖应力分布呈现一个回落的状态，因为针尖直径到达一定尺寸后，应力集中在针尖边缘部分而不是顶端部分，对应力分布具有分散作用，因此在选择针尖直径时，尽量选择针尖直径小于200nm尺寸，可以增加接触部位的应力集中效应。
57.3)纳米针加载速度的影响
58.除了直径大小之外，另外一个重要参数是纳米针加载的速度，在对纳米针刺入速度进行分析时，选择了六组不同速度大小进行分析，速度大小变量分别为v1＝0.5μm/s、v2＝2μm/s、v3＝10μm/s、v4＝20μm/s、v5＝100μm/s、v6＝200μm/s，速度变化梯度较大，因此细胞核的变形差距较大，下面对细胞核的变形与应力大小以及分布进行分析。
59.如图10所示，随着纳米针速度越大，核膜的应力越大，核膜应力分布集中程度也在增大，可以从图13的峰值以及图14(右)应力分布俯视图体现。然而从图11(左)中的位移形
变图可以看出，针尖在五种速度下施加的位移载荷一致，在针尖以v1，v2，v3大小施加时，细胞核整体变形集中在针尖附近，然而速度增加到v4，v5时，细胞核的变形逐渐分布到整个核，说明速度达到一定值后，细胞核的变形会扩散至整体，不再集中于针尖附近。由于细胞核相对脆弱，在受到巨大变形时会产生有害的影响，因此在针尖下压过程中中需要避免不必要的形变，从变形结果可以得出适用于纳米针下压的速度应小于20μm/s，同时从变形图中可以看出细胞核整体变形分布最为集中的模型是速度为10μm/s，因此最佳速度应取在v2左右。
60.综上所述，本发明对纳米针刺入的参数进行了优化，提出在选择针尖直径时，尽量选择针尖直径小于200nm尺寸，可以增加应力集中的效果；同时纳米针下压的速度应小于20μm/s，最佳速度应取在v2大小为10μm/s左右。

技术特征：
1.一种基于abaqus-python的细胞核模型构建方法，包括以下步骤：步骤1：根据细胞核力学特性将细胞核结构分成四个部分，由外到内分别为核膜、核纤层a、核纤层b、核质，其中核纤层a与核纤层b共同组成核纤层，二者为独立网络且通过连接蛋白相连；根据实际尺寸在abaqus软件part模块中建立细胞核的各部分几何模型并按照位置分布进行装配；创建刚性平面表示载玻片，载玻片与细胞核模型底部相切，同时创建不同尺寸的纳米针实现刺入动作；步骤1.1：创建核膜；采用内径为2500nm，外径为2550nm的空心球作为核膜；步骤1.2：创建核纤层；采用正交网络薄层作为核纤层，核纤层a的半径为2450nm，正交网络纤维的间距为150nm；核纤层b的半径为2500nm，正交网络纤维的间距为250nm；步骤1.3：创建载玻片和纳米针；根据实际形状创建载玻片和纳米针的形状，纳米针长1～2微米，直径50～400纳米，载玻片为半径5000nm、厚度50nm的圆盘；步骤2：根据细胞核力学结构的材料特性，为核膜、核纤层创建材料属性与截面属性；步骤3：按照各部件的位置进行装配：细胞核部分从内到外依次是核纤层核纤层a、核纤层b、细胞核膜，三者同心装配；载玻片位于细胞核下方，载玻片上表面与核膜的底部接触；纳米针竖直位于细胞核上方，针尖与细胞核膜上表面距离依据需要设置，这里设置为100nm；步骤4：定义abaqus-python的分析步，设置为动力学显示分析步，分析步时长设置为0.15s；步骤5：定义各部件之间的相互作用关系，其中包括：采用连接器表示核膜与核纤层a或核纤层b的连接，节点之间为铰接；核质通过相互作用中的流体腔表示；定义细胞核底部与刚性载玻片之间面与面的相互作用，纳米针的针尖表面与核膜接触表面的面与面相互作用；步骤6：为细胞核力学结构三维有限元模型添加载荷和边界条件，在这里将载玻片固定，位移载荷施加在纳米针上模拟下针过程；步骤7：对细胞核各结构进行网格划分，其中核膜为实体单元，核纤层b为梁单元，核纤层a为桁架，载玻片与纳米针为离散刚体单元；步骤8：选择双精度对细胞核力学结构进行力学响应计算。该模型基于abaqus有限元软件，包含的结构有细胞核膜、核纤层a、核纤层b、核质，其中核质由相互作用关系的流体腔表示，细胞核膜为实体，核纤层b为梁，核纤层a为桁架，因此该模型具备分析特定结构力学特性的能力，如核膜或者核纤层的应力分布情况。基于python的参数化建模可以实现快速建模以及批量连接，提高建模效率与准确度。核纤层a与核纤层b结构具有正交性，二者的离散化建模更接近核纤层的真实结构，且离散化模型可以用来分析核纤层的密度对核膜力学性质的影响。

技术总结
该发明公开了一种基于abaqus-python的细胞核模型构建方法，涉及细胞应力分析技术领域。本方法利用Abaqus有限元软件绘制了细胞核模型并对其进行力学特性分析，同时采用Python语言进行二次开发，通过脚本简化模型绘制过程，提高模型绘制的效率与准确性。该模型可以用来计算纳米针刺入细胞核这一过程中，细胞核的主要结构——细胞核膜以及核纤层的应力分布，通过核膜在刺入过程中的应力集中情况优化纳米针参数。纳米针参数。纳米针参数。


技术研发人员：范娜 邹洁 彭倍
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/9/20