As an effective method to deliver external materials into biological cells, microinjection has been widely applied in the biomedical field. However, the cognition of cell mechanical property is still inadequate, which greatly limits the efficiency and success rate of injection. Thus, a new rate-dependent mechanical model based on membrane theory is proposed for the first time. In this model, an analytical equilibrium equation between the injection force and cell deformation is established by considering the speed effect of microinjection. Different from the traditional membrane-theory-based model, the elastic coefficient of the constitutive material in the proposed model is modified as a function of the injection velocity and acceleration, effectively simulating the influence of speeds on the mechanical responses and providing a more generalized and practical model. Using this model, other mechanical responses at different speeds can be also accurately predicted, including the distribution of membrane tension and stress and the deformed shape. To verify the validity of the model, numerical simulations and experiments are carried out. The results show that the proposed model can match the real mechanical responses well at different injection speeds.


翻译:作为将外部材料送入生物细胞的有效方法,微生物注射在生物医学领域广泛应用,但细胞机械特性的认知仍然不足,大大限制了注射的效率和成功率。因此,首次提出了以膜理论为基础的新的基于速率的机械模型。在这个模型中,通过考虑微注入的速度效应,确定了注射力和细胞变形之间的分析平衡方程式。不同于传统的膜基理论模型,拟议模型组成材料的弹性系数被修改为注射速度和加速率的函数,有效地模拟速度对机械反应的影响,并提供更加普遍和实用的模型。使用这一模型,还可以准确预测不同速度的其他机械反应,包括膜紧张和压力的分布以及变形。为了核实模型的有效性,进行了数字模拟和实验。结果显示,拟议的模型能够以不同注射速度与实际机械反应相匹配。

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