2-2-2 細胞骨架
細胞骨架主要由微管(Microtubules)、微纖維(Microfilament)、中間 絲(Intermediate Filament)等三種纖維組成。微管呈中空管狀，為細胞骨 架的架構主幹。微纖維是實心狀的纖維，能確定細胞表面特徵並使細胞運 動和收縮。中間絲為中空的骨狀結構，其化學組成比較複雜，在不同細胞 中成分變化較大，且中間纖維使細胞具有張力和抗剪切力，可參考圖 2-2、
2-3。而細胞骨架提供細胞機械性支撐用以維持細胞型態、承受外力，保持 細胞內部結構的有序性等方面起了重要作用，且可隨細胞的生命活動而呈 現高度的動態性，於細胞運動中亦扮演相當重要角色。
2-2-3 細胞質
細胞質包含了多種元素，視乎環境情況及當時細胞的活動，可以是凝膠 狀亦可為可流動的液體，在細胞內有傳送或聚集的功能。
圖 2-2 細胞骨架元素圖，由左而右分別為微纖維、中間絲及微管
圖 2-3 細胞骨架在細胞內的排列情形
2-2-4 細胞膜 G.L.Nicholsom 於 1972 年提出的流體鑲嵌模型（fluid mosaic model），可 參考圖 2-4。
架，是膜的基質。磷脂質分子為雙性分子，分為親水頭端和疏水尾端，雙 層磷脂質分子之頭端皆朝向水相，疏水尾端則兩兩相接埋於膜內。而使脂 雙層分子之親水頭端的內層（面對細胞質之面）與外層（面對外界之面）
之結構不對稱原因，主要在於脂雙層分子兩親水頭端的化學組成不同。
圖 2-4 細胞膜結構之「流體鑲嵌模型」
膜的另一種主要成分是蛋白質，細胞膜上面具有許多蛋白質，而他們就 像是嵌在大教堂牆壁上小小的瓦片一樣，嵌在流動的細胞膜上。根據在膜 上存在位置的不同，膜蛋白可分為兩類，一是通過強疏水或親水作用同膜 脂牢固結合不易分開的，稱為整合蛋白(integral protein)；二是附著在 膜的表層，與膜結合比較疏鬆容易分離的，稱為膜周邊蛋白(peripheral protein)。
細胞膜之主要功能有以下五點：
1. 維持細胞之結構完整。
2. 保護細胞之內部成分。
3. 為細胞內外選擇性物質輸送之通道。
4. 細胞表面絨毛、纖毛、鞭毛的著生位點。
5. 細胞抗原-抗體特異性識別的物質基礎和位置。
2-3 細胞遷移運動(cell migration)
於 1675 年科學家安東尼．凡 列文虎克（Antonie Van Leeuwenhoek）
發表了一份描述細菌運動的相關研究，而此發表亦開啟了科學家對於觀察 細胞運動的研究大門，至今由於新科技不斷創新、突破，對於細胞的運動 研究亦有極大的推動、幫助，我們對生物細胞的運動也有了相當的研究成 果。生物細胞的運動包括了細胞的整體運動和部份運動，可稱之為細胞能 動性（Cell Motility），其中整體運動代表細胞遷移(Cell Migration)，
而部份運動則是指細胞的突出行為（Protrusion），亦是本研究之探討重點。
細胞的遷移運動主要為細胞在接受到遷移信號或感受到某物質的濃度
遷移過程中，細胞將不斷的重複伸出偽足來牽引胞體的循環，故細胞 突出行為可說是遷移運動的先驅。兩種行為雖然不全相同，但都有相同的 生化反應過程，包括極化現象(Polarisation)、細胞骨架的重新組織及 Cell-ECM 間黏著點的改變，ECM(Extracellular Matrix)為細胞外基質，是 由細胞分泌出去的多種蛋白質構成，包括膠原蛋白（Collagens）、纖維黏 蛋白（Fibronectin）、層粘連蛋白（Laminins）和醣蛋白（Proteoglycans）， 架構成的複雜纖維網狀組織，可加強組織的強度及韌性。
圖 2-5 細胞遷移系列反應示意圖
細胞運動過程是由一連串的突出（Protrusion）、黏附（Attachment）
及收縮（Retraction）等動作反覆循環，可將之分為五個主要步驟，可參 考圖 2-6：
1. Membrane Extension:
細胞的遷移是由極化現象開始，極化現象即為定位出細胞的前後以及
2. Attachment to the Substrate
細胞向前伸展後，為避免細胞縮回，故偽足必須找到新的 Cell-ECM 接 觸點並且附著上去。細胞內的受器蛋白，如黏合素(Integrins)，會被送到 細胞前緣並附著於細胞外基質上，附著後因偽足之接觸面積大於尾端，因 此可提供足夠的抓力拉動整個細胞。
3. Cell Contraction
經前面的偽足固定後，細胞內的胞器將會向前流動，而造成流動之原 因主要為於細胞後面已回收的肌動蛋白纖維和細胞膜受器被送往前面，故 產生一股向前的流動。
4. Release of the Attachment at the Trailing Edge 尾端部分和 ECM 的接觸點會逐漸分離並縮回。
5. Recycling of the Receptors
最後尾端的受器會被回收到細胞內並往前推送，將繼續進行下一次的 循環。
若將整個過程濃縮，主要可分為 1.細胞膜向遷徙方向伸展 2.細胞本體 的移動，如圖 2-7。
圖 2-6 細胞運動示意圖
圖 2-7 細胞遷移簡易示意圖 2-4 高分子之聚合現象
從上述章節可知生物細胞運動其實是由數種不同過程反覆循環，而聚 合現象（Polymerization）便是其中相當有趣的一環，生物細胞內的聚合 現象類似於高分子材料的聚合，由大量的簡單小分子合併成具有大分子量 的物質，而能聚合成高聚物的小分子物質可稱之為單體。
以本研究所選取的白血球細胞為例，當白血球受到細菌所分泌的化學 物質吸引影響，將啟動細胞內的遷移信號並產生聚合現象，此時在細胞內 扮演小分子的單體便為肌動蛋白單體（G-Actin），全稱為球狀肌動蛋白
（Globular Actin），可參考圖 2-8，一端為有刺端（Barbed End），另一端 為尖頭端（Pointed End）。當大量的球狀肌動蛋白一個接一個組合，可連 成一串肌動蛋白鏈（F-Actin），這種肌動蛋白多聚體可稱作纖維形肌動蛋 白（Fibrous Actin），再經由兩串肌動蛋白鏈互相纏繞則可形成一條肌動 蛋白纖維（Actin Filament），這一連串的反應便稱為高分子之聚合現象。
從相關研究已得知肌動蛋白微絲的成長速度約為每秒鐘可生長十分之一微 米（0.1μm/s）。
圖 2-8 球狀肌動蛋白（G-Actin）簡圖 2-5 偽足
偽足是生物細胞運動過程中主要的運動器官，聚合現象產生的目的即 是形成偽足。當發生肌動蛋白聚合，慢慢形成條狀的肌動蛋白纖維後，經 由 Arp 複合體（Actin Related-Protein）將數根肌動蛋白纖維結合成一束，
捆在一起猶如一圓柱，Arp 複合體是一種能與肌動蛋白結合的蛋白，由 Arp2、Arp3 和其它數種蛋白構成。而肌動蛋白纖維成長到一定長度後，封 閉蛋白（End-Blocking Protein）會像帽子般覆蓋在纖維頂端，肌動蛋白 纖維將停止組合，此時整束肌動蛋白纖維束即可朝運動方向推動細胞膜，
在細胞運動方向前端形成突出，此突出物便為偽足，故偽足內主要是由佈 滿的肌動蛋白纖維所支撐，而由鄰近數個偽足突出後將可形成瓣狀偽足，
為葉子形狀般瓣狀的突出物。
2-6 紅血球細胞介紹
紅血球的形狀像是雙凹盤狀，也就是說，邊緣較厚，而中間較薄。
由於這種特別的形狀而且體積比較小(直徑約 7
μ
m)，所以表面積對體 積的比值較大，使氧氣以及二氧化碳能夠快速地滲透細胞內、外。同 時它還具有柔韌性，這使得它可以通過毛細血管，並釋放氧分子。如 圖 2-9圖 2-9 紅血球結構圖
紅血球細胞在不同濃度溶液時，會有不同的現象產生(參考圖 2-10)，以下介紹三種濃度的溶液，：
(A). 等張溶液(isotonic solution):水分子進出細胞膜的速率相同，
所以水分子淨移動為零。
(濃度為 0.9%NaCl 的靜脈注射為等張溶液)
(B). 低張溶液(hypotonic solution):細胞內溶質的濃度大，所以水 分子不斷的進入細胞內，會使細胞膨脹，甚至脹破。
(濃度＜0.9%NaCl 的靜脈注射為低張溶液)
(C). 高張溶液(hypertonic solution):細胞內溶質的濃度小，所以水 分子不斷的離開細胞內，水分子的流失，導致細胞的皺縮。
(濃度＞0.9%NaCl 的靜脈注射為高張溶液)
圖 2-10 紅血球在不同濃度溶液的現象(箭頭為水份進出方向)
2-7 細胞與細胞間及細胞與基質間黏附關係 (Cell-Cell and Cell-Matrix Adhesion)
在複雜的多細胞生物體的發展中，例如動物，前驅細胞分化成各 被稱為「細胞黏附分子」(cell adhesion molecules;CAMs)來彼此相 互黏附(如圖 2-11)。細胞黏附分子常成叢的特化成細胞連接(cell
許多的黏附分子是由多個不同的單位拼湊而成，而且可從其中發
在細胞聚集的早期，基質提供細胞移動的路徑。型態發生在胚胎發展 的晚期，組織、器官與身體部分的形成是靠細胞的移動與重組，也就 是依賴細胞與基質間的黏附和細胞與細胞間的黏附。
圖 2-11 細胞與細胞間的黏附分子(CAMs)示意圖
圖 2-12 細胞與細胞外基質(ECM)間的黏著示意圖
第三章 研究架構和方法及工具介紹 元素資料，且利用 CAE（Computer Aided Engineering）軟體—ANSYS 建立模型並進行力學分析，並且利用 amira 軟體計算模型的體積和面 積，在下章節將對這三個工程軟體做簡單介紹。
3-2-1 ANSYS 簡介
本研究所採用的 ANSYS 是一套功能強大的 CAE 軟體，利用有限元 素法（Finite Element Method）的觀念，是目前在工業上最常使用 的電腦輔助分析套裝軟體之一。它功能相當強大，應用的範圍亦相當
(1) 前處理（Pre-Processing）：
進 行 分 析 的 首 要 步 驟 ， 主 要 為 設 定 模 型 所 使 用 的 元 素 類 型
元素的特性設定完成後，緊接著就要考量材料性質等參數，再來是幾
（Full Newton-Raphson Method）疊代法則，介紹如下：
[Kt ]{Du}= {Fa }− {Fnr }
[KT ]：切線剛性矩陣（Tangent Stiffness Matrix）
{Du}：增量位移向量（Displacement Increment）
{Fa }：外力向量（Applied Load Vector）
{Fnr}：內力向量（Internal Force Vector）
假設在系統中給定一外力{Fa}，而系統即可由節點（Node）來求 解出內力{Fnr}的大小，利用力平衡{Fa}− {Fnr}= 0 的規則來判斷是否 為收斂。此一差值稱為Newton-Raphson Residual（以下簡稱NRR），
而在一般的問題中NRR 不一定為剛好為零，系統是判斷NRR 值小於一 個容許誤差值，來作為是否收斂的依據。其簡意圖如圖 3-1 所示。
假設系統在處其切線剛性矩陣u0 處其切線剛性矩陣[Kt ]為已知，則 位移可由及Δu可由 ΔF及[Kt]求出，而後位移就移至u1。如此增加外 力向量之值，逐次計算，直到實際施加外力之值。
圖 3-1 全牛頓-拉夫森（Full Newton-Raphson Method）疊代法
(3) 後處理器(Post-processor)
後處理器最主要的任務乃是將分析的結果以圖形或文字的型式 表現出來，以作為判斷分析之用。在文字輸出的資訊方面，包含有節 點及元素的變形量、應力及應變等資料。對構造簡單的結構物而言，
後處理器最主要的任務乃是將分析的結果以圖形或文字的型式 表現出來，以作為判斷分析之用。在文字輸出的資訊方面，包含有節 點及元素的變形量、應力及應變等資料。對構造簡單的結構物而言，