×

用于模拟应用于细胞力学的半柔性纤维悬浮液的快速平台。 (英语) Zbl 1406.92032号

摘要:我们提出了一个新的平台,用于大规模模拟浸没在斯托克斯流体中的三维纤维结构,并在三维约束或自由空间中演化。这项工作的主要动机之一是研究生物细胞内纤维组件的动力学。为此,我们还纳入了决定这些组件动力学的关键生物物理元素,其中包括纤维的聚合和解聚动力学、纤维与分子马达和其他物体的相互作用、纤维的柔韧性和流体动力学耦合。据我们所知,这项工作是第一项将多体流体动力相互作用(HI)以及由此产生的流体流动纳入柔性纤维细胞组件的技术。我们使用非局部细长体理论计算纤维的流体-结构相互作用,并对其他刚体和约束边界采用第二类边界积分公式。快速多极子方法的内核相关实现用于高效评估HI。纤维的变形用非线性欧拉-贝努利梁理论描述,其聚合用适当的非拉格朗日框架中动力学方程的重网格化来建模。我们使用光纤位置的伪谱表示和隐式时间步长来解决较大的光纤变形,并允许时间步长不受时间刚度或光纤相互作用的过度限制。整个计算方案是并行的,可以模拟数千根光纤的组装。我们用我们的方法研究了细胞分裂力学中的两个重要问题:(i)限制对微管紫菀流体动力迁移的影响;以及(ii)有丝分裂纺锤体在复杂细胞几何结构中定位的动力学。最后,为了证明该方法的普遍适用性,我们模拟了半柔性纤维云的沉降。

MSC公司:

92立方厘米 生物力学
92立方37 细胞生物学
76T20型 悬架
74英尺10英寸 流固相互作用(包括气动和水弹性、孔隙度等)
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] 阿达奇,K。;Kiriyama,S。;吉冈,N.,《一群粒子在粘性流体中运动的行为》,《化学》。工程科学。,33, 1, 115-121 (1977)
[2] af Klinteberg,L。;Tornberg,A.-K.,《斯托克斯粒子悬浮液的快速Ewald求和》,国际期刊《数值》。《液体方法》,76,10,669-698(2014)
[3] 阿舍尔,U.M。;Ruuth,S.J。;Wetton,B.T.,含时偏微分方程的隐式显式方法,SIAM J.Numer。分析。,32, 3, 797-823 (1995) ·Zbl 0841.65081号
[4] 北奥特鲁森。;Guglielmini,L。;Lecuyer,S。;Rusconi,R。;Stone,H.A.,二维角流中弹性细丝的形状,Phys。流体,23,6,第063602条pp.(2011)
[5] 巴内特。;吴,B。;Veerapaneni,S.,《2D Stokes和Laplace方程边界附近层电位评估的光谱精确求积》(2014),第1-21页
[6] Bausch,A.R。;Kroy,K.,《自下而上的细胞力学方法》,《自然物理学》。,2, 4, 231-238 (2006)
[7] 贝克尔,L.E。;Shelley,M.J.,剪切流中弹性细丝的不稳定性产生第一法向应力差,Phys。修订稿。,第87、19条,第198301页(2001年)
[8] Bommes,D。;Zimmer,H。;Kobbelt,L.,混合积分四边形,(ACM图形汇刊(TOG)(2009)),77
[9] Boyd,J.P.,Chebyshev和Fourier光谱方法(2001),Courier Corporation·Zbl 0994.65128号
[10] Brinkman,H.C.,流动流体对密集粒子群施加的粘性力的计算,Appl。科学。第1、1、27-34号决议(1949年)·Zbl 0041.54204号
[11] 布罗德斯,C.P。;MacKintosh,F.C.,《半柔性聚合物网络建模》,修订版。物理。,86, 3, 995-1036 (2014)
[12] 布鲁诺,O.P。;Kunyansky,L.A.,《解决表面散射问题的快速高阶算法:基本实现、测试和应用》,J.Compute。物理。,169、1、80-110(2001年5月)·Zbl 1052.76052号
[13] 布什,J.W.M。;瑟伯,文学学士。;Blanchette,F.,均匀和分层环境中的粒子云,J.流体力学。,489, 29-54 (2003) ·Zbl 1056.76080号
[14] 巴特勒,J.E。;Shaqfeh,E.S.,刚性纤维非均匀沉降的动态模拟,J.流体力学。,468, 205-237 (2002) ·Zbl 1064.76113号
[15] Chelakkot,R。;Winkler,R.G。;Gompper,G.,《微毛细管流中半柔性聚合物的构象、分布和迁移》,J.Phys。康登斯。Matter,23,18,184117(2011)
[16] 科罗纳,E。;Rahimian,A。;Zorin,D.,复杂几何积分方程张量应变加速求解器(2015)
[17] Cortez,R.,正则化斯托克斯莱特方法,SIAM J.Sci。计算。,23, 4, 1204-1225 (2001) ·兹比尔1064.76080
[18] 科尔特斯,R。;福奇,L。;Medovikov,A.,《三维正则Stokeslets方法:分析、验证和螺旋游泳应用》,Phys。流体,17,3,1-14(2005)·Zbl 1187.76105号
[19] 科恩,C.R。;Hyman,A.A.,《秀丽线虫的不对称细胞分裂:皮层极性和纺锤定位》,《年鉴》。细胞发育生物学评论。,20, 427-453 (2004)
[20] Dahl,K.N。;卡恩,S.M。;威尔逊,K.L。;Discher,D.E.,核包络层网络具有弹性和压缩极限,这暗示着分子减震器,《细胞科学杂志》。,117, 20, 4779-4786 (2004)
[21] Davis,R.H。;Acrivos,A.,《低雷诺数下非胶体颗粒的沉降》,年。Rev.流体机械。,2, 17, 91-118 (1985)
[22] 德赛,A。;Mitchison,T.J.,《微管聚合动力学》,年。细胞发育生物学评论。,13, 1, 83-117 (1997)
[23] 多特罗姆,M。;Yurke,B.,《生长微管力-速度关系的测量》,《科学》,278,5339,856-860(1997)
[24] 弗莱彻,D.A。;Mullins,R.D.,《细胞力学与细胞骨架》,《自然》,4637280485-492(2010)
[25] 弗洛雷斯,H。;Lobaton,E。;Méndez-Diez,S。;特卢波娃,S。;Cortez,R.,《细菌鞭毛捆绑的研究》,公牛。数学。生物学,67,1,137-168(2005)·Zbl 1334.92029号
[26] M.弗兰克。;安德森,D。;周,E.R。;Morris,J.F.,布朗悬浮液压力驱动流中的粒子迁移,J.流体力学。,493, 363-378 (2003) ·Zbl 1049.76507号
[27] 傅,S.-P。;Young,Y.-N。;Jiang,S.,线性流动中具有流体动力学相互作用的DNA分子的有效布朗动力学模拟,Phys。E版,91,第063008条pp.(2015年6月)
[28] 高,C。;Gilchrist,J.F.,剪切诱导的一维、二维和三维流动中的粒子迁移,《物理学》。E版,77,2,第025301条,pp.(2008)
[29] Gilden,J。;Krummel,M.F.,《细胞骨架对皮层刚性的控制:隔膜的新兴作用》,《细胞骨骼》,67,8,477-486(2010)
[30] Goldstein,R.E。;Powers,T.R。;Wiggins,C.H.,《扭转和扭动的粘性非线性动力学》,《物理学》。修订稿。,80, 23, 9 (1998)
[31] Götz,T.,《纤维与流动的相互作用:渐近、理论与数值》(2000),凯泽斯劳滕大学:德国凯泽斯劳滕大学,博士论文
[32] Grill,S.W.公司。;Gönczy等人。;Stelzer,E.H。;Hyman,A.,《控制秀丽隐杆线虫胚胎中不对称纺锤定位的极性控制力》,《自然》,409,6820,630-633(2001)
[33] Groot,R.D.,《如何在布朗胶体和半柔性纤维流变学的粗颗粒流体动力学中施加粘性边界条件》,J.Chem。物理。,第136、6条,第064901页(2012年)
[34] 瓜泽利,E.L。;Hinch,J.,《沉积中的波动和不稳定性》,年。Rev.流体机械。,43, 97-116 (2011) ·Zbl 1299.76285号
[35] Guazzelli,E.,沉积中颗粒速度相关性的演变,Phys。流体,13,6,1537-1540(2001)·Zbl 1184.76198号
[36] Happel,J。;Brenner,H.,《低雷诺数流体动力学》(1965),马丁努斯·尼霍夫出版社
[37] Helsing,J。;Ojala,R.,《关于评估靠近其源的层电位》,J.Compute。物理。,227、5、2899-2921(2008年2月)·Zbl 1135.65404号
[38] Herzhaft,B。;埃及瓜泽利。,纤维稀悬浮液和半稀悬浮液沉降的实验研究,J.流体力学。,384, 133-158 (1999) ·Zbl 0939.76504号
[39] Herzhaft,B。;瓜泽利,埃及。;Mackaflow,M.B。;Shaqfeh,E.S.,稀释纤维悬浮液沉降的实验研究,Phys。修订稿。,77,2290(1996年)
[40] Higdon,J.J.L。;Ford,G.D.,纤维多孔介质三维模型的渗透率,J.流体力学。,308, 1, 341 (1996) ·Zbl 0859.76066号
[41] Howard,J.,《运动蛋白质和细胞骨架的力学》(2001年),西努埃尔联合公司
[42] Hyman,A.A。;White,J.G.,《秀丽隐杆线虫早期胚胎发生中细胞分裂轴的测定》,《细胞生物学杂志》。,105, 5, 2123-2135 (1987)
[43] Janson,M.E。;De Dood,M.E。;Dogterom,M.,《微管的动态不稳定性受力调节》,《细胞生物学杂志》。,16161029-1034(2003年)
[44] Johnson,R.E.,《斯托克斯流的改进细长体理论》,《流体力学杂志》。,99, 02, 411 (1980) ·Zbl 0447.76037号
[45] Joung,C.G。;Fan,X.J.,《柔性纤维的直接模拟》,J.Non-Newton。流体力学。,99, 1-36 (2001) ·Zbl 1066.76527号
[46] Karrila,S.J。;Kim,S.,Stokes流的第二类积分方程:物理变量的直接解和固有精度限制的消除,化学。工程通信。,82, 1, 123-161 (1989)
[47] Keaveny,E.E。;Shelley,M.J.,应用第二类边界积分方程求解Stokes流中的表面力,J.Compute。物理。,230、5、2141-2159(2011年3月)·Zbl 1391.76454号
[48] Keller,J。;Rubinow,S.,慢粘性流的细长体理论,流体力学杂志。,75, 705-714 (1976) ·Zbl 0377.76036号
[49] 木村,A。;Onami,S.,计算机模拟和图像处理揭示了长度依赖的拉力是秀丽线虫雄性原核迁移的主要机制,Dev.Cell,8,5,765-775(2005)
[50] 木村,A。;Onami,S.,《秀丽线虫中心体中心化和后部位移的局部皮层拉力抑制》,《细胞生物学杂志》。,179, 7, 1347-1354 (2007)
[51] Kimura,K。;Kimura,A.,《细胞内细胞器调节秀丽隐杆线虫早期胚胎中心体集中的细胞质拉力》,Proc。国家。阿卡德。科学。,108, 1, 137-142 (2011)
[52] 科克纳,A。;Barnett,A.H。;Greengard,L。;O'Neil,M.,《展开求积:评估层电位的新方法》,J.Compute。物理。,252、3、332-349(2013年7月)·兹比尔1349.65094
[53] Kress,R.,线性积分方程,第82卷(1999),Springer-Verlag:Springer-Verlag纽约·Zbl 0920.45001号
[54] 李,L。;马尼坎坦,H。;桑蒂兰,D。;斯帕格诺利,S.,《柔性纤维的沉降》,J.流体力学。,735, 705-736 (2013) ·Zbl 1294.76090号
[55] Lim,S。;Peskin,C.S.,用浸没边界法模拟涡动不稳定性,SIAM J.Sci。计算。,25, 6, 2066-2083 (2004) ·Zbl 1133.65300号
[56] Lindner,A。;Shelley,M.,《流动中的弹性纤维》(Duprat,C.;Stone,H.A.,《低雷诺数流动中的流体-结构相互作用》(2015))
[57] 马丘,G。;梅勒,W。;尼采,L.C。;美国沙夫林格(Schaflinger,U),《沉降液滴的聚集、环面形成和破裂:实验和计算机模拟》,《流体力学杂志》(J.Fluid Mech.)。,447, 299-336 (2001) ·Zbl 0991.76501号
[58] Malhotra,D。;Biros,G.,PVFMM:用于粒子和体积势的并行核独立FMM,Commun。计算。物理。,18, 03, 808-830 (2015) ·Zbl 1388.65169号
[59] 曼尼坎坦,H。;李,L。;斯帕格诺利,S.E。;Saintillan,D.,弱柔性纤维沉淀悬浮液的不稳定性,J.流体力学。,756, 935-964 (2014)
[60] 马尼坎坦,H。;Saintillan,D.,《柔性对沉淀纤维悬浮液中浓度波动增长的影响:粒子模拟》,《物理学》。流体,28,1,013303(2016)
[61] Masliyah,J.H。;Neale,G。;Malysa,K。;Van De Ven,T.G.M.,《复合球体上的蠕变流动:带多孔壳的实心》,《化学》。工程科学。,42, 2, 245-253 (1987)
[62] McNally,F.J.,纺锤定位机制,细胞生物学杂志。,200, 2, 131-140 (2013)
[63] 梅茨格,B。;瓜泽利,E。;Butler,J.E.,《稀释纤维悬浮液沉降中的大型拖缆》,Phys。修订稿。,95,16,第1条,第(2005)页
[64] 梅茨格,B。;尼古拉斯,M。;Guazzelli,E.,粘性流体中的粒子下落云,J.流体力学。,580, 283 (2007) ·Zbl 1113.76005号
[65] Minc,N。;伯吉斯,D。;Chang,F.,单元几何对分区平面定位的影响,单元,144,3,414-426(2011)
[66] Mofrad,M.R.,《细胞骨架流变学》,年。Rev.流体机械。,41, 433-453 (2009) ·Zbl 1163.76064号
[67] 莫拉切夫斯基,T。;Tang,H.Y。;北卡罗来纳州沙普利,通过核磁共振成像测量的轴对称突然膨胀的集中悬浮流,J.Rheol。,49, 6, 1409-1428 (2005)
[68] Nazockdast,E。;Morris,J.F.,《胶体悬浮液的主动微观流变学:模拟和微观结构理论》,J.Rheol。,16, 733 (2016)
[69] Nazockdast,E。;Rahimian,A。;Needleman,D。;Shelley,M.,细胞质流作为有丝分裂定位机制的特征(2015),第1-26页
[70] Nedelec,F。;Foethke,D.,《柔性细胞骨架纤维的集体Langevin动力学》,新物理学杂志。,9, 11, 427 (2007)
[71] Nédélec,F。;Surrey,T.,运动复合体形成微管的动力学,C.R.Acad。科学。,Sér。IV物理。天体物理学。,2, 6, 841-847 (2001)
[72] Nguyen,N.-Q。;Ladd,A.J.C.,《低雷诺数下硬球悬浮液的沉积》,《流体力学杂志》。,525, 73-104 (2005) ·Zbl 1065.76192号
[73] 奥贾拉,R。;Tornberg,A.-K.,《模拟多相斯托克斯流的精确积分方程法》,J.Compute。物理。,298, 145-160 (2015) ·Zbl 1349.76635号
[74] 奥尔森,S.D。;Lim,S。;Cortez,R.,使用正则化Stokes公式对具有固有曲率和扭曲的弹性杆的动力学建模,J.Comput。物理。,238, 169-187 (2013) ·Zbl 1286.74122号
[75] 帕克·D·H。;Rose,L.S.,纺锤定位期间LIN-5和GPR-1/2到皮质力产生域的动态定位,Dev.Biol。,315, 1, 42-54 (2008)
[76] Park,J。;梅茨格,B。;瓜泽利,E。;Butler,J.E.,《粘性流体中沉淀的刚性纤维云》,J.流体力学。,648, 351-362 (2010) ·Zbl 1189.76675号
[77] Pecreaux,J。;罗珀,J.-C。;Kruse,K。;Jülicher,F。;Hyman,A.A。;Grill,S.W.公司。;Howard,J.,不对称细胞分裂期间的纺锤振荡需要一个临界数量的主动皮层力发生器,Curr。生物学,16,21,2111-2122(2006)
[78] Peskin,C.S。;奥德尔,G.M。;Oster,G.F.,细胞运动和热波动:布朗棘轮,生物物理。J.,65,1316(1993)
[79] 菲利普斯·R·J。;Brady,J.F。;Bossis,G.,硬球分散体的流体动力传输特性。I.自由移动颗粒的悬浮液,Phys。流体,31,12,3462-3472(1988)
[80] 功率,H。;Miranda,G.,斯托克斯流通过任意形状粒子的第二类积分方程公式,SIAM J.Appl。数学。,47, 4, 689-698 (1987) ·Zbl 0634.76029号
[81] Pozrikidis,C.,线性粘性流的边界积分和奇异性方法(1992),剑桥大学出版社:剑桥大学出版社·Zbl 0772.76005号
[82] Pozrikidis,C.,斯托克斯流的界面动力学,J.Compute。物理。,169, 250-301 (2001) ·Zbl 1046.76012号
[83] Quaife,B。;Biros,G.,具有粘度对比度的囊泡悬浮液的高阶自适应时间步进,Proc。IUTAM,16,89-98(2015)
[84] Rahimian,A。;拉舒克,I。;Veerapaneni,A。;Chandramowlishwaran,A。;Malhotra,D。;月亮,L。;桑帕斯,R。;Shringarpure,A。;维特,J。;Vuduc,R。;Zorin,D。;Biros,G.,Petascale对200K核和异构结构上的血流进行直接数值模拟,(《2010年ACM/IEEE高性能计算、网络、存储和分析国际会议论文集》,2010年ACM/IEEE高绩效计算、网络化、存储与分析国际会议文献集,SC'10,华盛顿特区,美国(2010),IEEE计算机学会),1-11
[85] Rahimian,A。;Veerapaneni,S.K。;Zorin,D。;Biros,G.,三维粘度对比囊泡流动的边界积分方法,J.Comput。物理。,298, 766-786 (2015) ·Zbl 1349.76947号
[86] Ramaswamy,S.,《稳定沉积统计力学问题》,高级物理学。,50, 3, 297-341 (2001)
[87] Reinsch,S.公司。;Gönczy,P.,核定位机制,细胞科学杂志。,2295、6820、2283-2295(1998年8月)
[88] Ross,R.F。;Klingenberg,D.J.,由连接刚体组成的柔性纤维的动态模拟,J.Chem。物理。,1062949-2960(1997年)
[89] Saad,Y.,《稀疏线性系统的迭代方法》(2003),SIAM·兹比尔1002.65042
[90] 桑蒂兰,D。;Darve,E。;Shaqfeh,E.S.G.,用于Stokes悬浮模拟的平滑粒子-网格Ewald算法:纤维沉降,Phys。流体,17,3,第33301条pp.(2005)·Zbl 1187.76458号
[91] 塞热,P.N。;刘,F。;Umbanhowar,P。;Weitz,D.A.,《沉积作用的有效重力温度》,《自然》,409,6820,594-597(2001)
[92] Shelley,M.,《生物学和物理学中微管/马达蛋白组装的动力学》,年。Rev.流体机械。,48, 1, 487-506 (2016) ·Zbl 1356.76469号
[93] 雪莱,M.J。;Ueda,T.,《弯曲、拉伸纤丝的斯托克斯流体动力学》,《物理学》。D、 非线性现象。,146, 1, 221-245 (2000) ·Zbl 1049.76016号
[94] Shinar,T。;马纳,M。;钢琴,F。;Shelley,M.J.,单细胞秀丽隐杆线虫胚胎中基于细胞质驱动的微管运动模型,Proc。国家。阿卡德。科学。,108, 26, 10508-10513 (2011)
[95] Siller,K.H。;Doe,C.Q.,不对称细胞分裂过程中的纺锤取向,《自然细胞生物学》。,11, 4, 365-374 (2009)
[96] Smith,D.J.,应用于纤毛和鞭毛驱动流的边界元正则化stokeslet方法,Proc。英国皇家学会。,序列号。A、 数学。物理。工程科学。,465, 2112, 3605-3626 (2009) ·Zbl 1195.76452号
[97] Sostarecz,M.C。;Belmonte,A.,《穿过粘性流体的粘弹性液滴的运动和形状》,J.流体力学。,497235-252(2003年)·Zbl 1067.76006号
[98] 斯奎尔斯,T.M。;梅森,T.G.,《微观流变学的流体力学》,年。Rev.流体机械。,42413-438(2010年1月)
[99] Stockie,J.M。;Green,S.I.,《使用浸没边界法模拟柔性纸浆纤维的运动》,J.Compute。物理。,147, 1, 147-165 (1998) ·Zbl 0935.76065号
[100] Tong,P。;Ackerson,B.J.,《高普朗特数下胶体沉积和湍流对流之间的类比》,《物理学》。修订版E,58,6,6931-6934(1999)
[101] 托恩伯格,A.-K。;Gustavsson,K.,《刚性纤维悬浮模拟的数值方法》,J.Compute。物理。,215, 1, 172-196 (2006) ·Zbl 1140.76486号
[102] 托恩伯格,A.-K。;Shelley,M.J.,《模拟斯托克斯流中柔性纤维的动力学和相互作用》,J.Compute。物理。,196、1、8-40(2004年5月)·Zbl 1115.76413号
[103] Trefethen,L.N.,MATLAB中的光谱方法(2000),SIAM·Zbl 0953.68643号
[104] Tsou,M.-F.B。;Hayashi,A。;DeBella,L.R。;McGrath,G。;Rose,L.S.,LET-99决定纺锤体位置,并在秀丽线虫胚胎的PAR极性提示下不对称富集,《发育》,129,19,4469-4481(2002)
[105] Usabiaga,F.B。;Kallemov,B。;Delmotte,B。;巴拉,A。;格里菲斯,B.E。;Donev,A.,《被动和主动刚性颗粒悬浮液的流体动力学:刚性多气泡方法》(2016)
[106] van Doorn,G.S。;Tanase,C。;Mulder,B.M。;Dogterom,M.,《关于生长微管的失速力》,《欧洲生物学》。J.,29,1,2-6(2000)
[107] 魏森伯格,R.C。;罗森菲尔德,A.C.,微管在冲浪蚌卵匀浆中体外聚合成紫菀和纺锤,细胞生物学杂志。,64, 1, 146-158 (1975)
[108] 文,F。;Nacamuli,A.,《瑞利数对粒子云的影响》(流体动力学(1996)),1275-1280
[109] 维恩斯,J.K。;Stockie,J.M.,使用可扩展浸没边界算法模拟柔性纤维悬浮,计算。方法应用。机械。工程,290,1-18(2015)·Zbl 1423.74290号
[110] Wirtz,D.,《活细胞的颗粒追踪微流变学:原理和应用》,年。生物物理学评论。,38, 301-326 (2009)
[111] Wittmann,T。;Hyman,A。;德赛,A.,《纺锤:微管和马达的动态组装》,《自然细胞生物学》。,第3页,第28页至第34页(2001年)
[112] 吴杰。;Aidun,C.K.,《使用带外部边界力的格子Boltzmann方程直接模拟柔性纤维悬浮液的方法》,国际期刊Multiph。流量,36,3,202-209(2010)
[113] 山本,S。;Matsuoka,T.,剪切流中纤维悬浮液的动态模拟,J.Chem。物理。,102, 2254-2260 (1995)
[114] 山本,S。;Matsuoka,T.,纤维悬浮液微观结构和流变性的动态模拟,Polym。工程科学。,36, 19, 2396-2403 (1996)
[115] Ying,L。;比罗斯,G。;Zorin,D.,《二维和三维核相关自适应快速多极子算法》,J.Compute。物理。,196, 2, 591-626 (2004) ·Zbl 1053.65095号
[116] Ying,L。;比罗斯,G。;Zorin,D.,光滑区域中椭圆偏微分方程的高阶三维边界积分方程解算器,J.Compute。物理。,219, 1, 247-275 (2006) ·Zbl 1105.65115号
[117] Zinchenko,A。;Davis,R.,《许多可变形液滴流体动力相互作用的有效算法》,J.Compute。物理。,157, 2, 539-587 (2000) ·Zbl 0961.76055号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。