細胞力學
關注創建者：Wyn_Yang 創建時間：2017-02-11
細胞力學的實例教程
因此所得到的兩種主客體水凝膠（分別由CD-ADA和CD-CA結合體交聯）雖然表現出相近的靜態力學特征（如溶脹行為，儲能模量等），但同時展現迥異的動態力學特征（損耗模量），證明由CD-ADA交聯的水凝膠具有更高的動態性質。至關重要的是，在CD-ADA為交聯水凝膠中，干細胞表現出不同尋常的超快三維星狀鋪展（封裝后18小時）。而在CD-ADA為交聯水凝膠中，干細胞的三維鋪展則顯著較慢。這個發現表明主客體超分子水凝膠所含可逆交聯的動力學常數對封裝在水凝膠三維網絡中的干細胞的發育行為有著重要的調控作用。
圖1. 動態超分子水凝膠的構建及其力學性質和細胞鋪展行為。
進一步研究發現，由CD-ADA交聯的具有更高網絡動態性質的水凝膠，除加快細胞三維鋪展行外，還顯著增強干細胞在三維動態水凝膠中的機械力信號轉導，提高了細胞力學傳感轉錄因子YAP的細胞核轉運。通過計算機模擬（分子動力MD，動力學蒙特卡洛算法KMC），該研究也證實了動態水凝膠交聯動力學常數對細胞力學與三維鋪展的影響（圖2）。
圖2. 計算機模擬水凝膠中的動態交聯作用及其在細胞力學作用下的可逆絡合。
此外，該研究也發現，細胞對于動態水凝膠的生物物理動力學特征的感知與反應，也取決于生物大分子網絡結構的細胞黏附特征。只有當RGD通過共價鍵修飾的方式連接于水凝膠網絡中時，細胞的三維鋪展才會顯著受動態交聯性質的影響。而當RGD通過非共價的方式連接于水凝膠網絡中時，細胞則無法感知網絡的動態特性以進行快速三維鋪展（圖3）。
圖3.
展開 細胞可以通過力轉導過程對所處微環境中的力學刺激信號作出響應，動態拉伸已被證實對細胞行為具有顯著影響，這是一個生物材料學、細胞生物學、生物化學、生物力學等相關領域的交叉學科課題。近日，復旦大學丁建東教授課題組的研究揭示了單軸周期性拉伸的彈性高分子表面的細胞取向存在臨界響應頻率和臨界拉伸速率，并結合高分子鏈松弛理論為該臨界現象提供了合理闡釋。
利用光刻技術、軟蝕刻技術和有限元分析方法，丁建東教授課題組設計和制備了適用于細胞力學拉伸研究的雙層聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控裝置。該裝置的工作原理為：當芯片側腔抽真空時，其體積減小，導致中間流體通道的薄膜發生拉伸，進而對黏附于薄膜上的細胞施加周期性拉伸作用。通過將PDMS微流控芯片與活細胞工作站、外源智能化真空泵聯用，同時實現了細胞實時觀察、細胞培養和細胞拉伸三大功能。
圖1 利用雙層PDMS微流控裝置探究拉伸頻率對彈性高分子薄膜表面細胞行為的影響
丁建東教授課題組以此PDMS微流控芯片為研究平臺，驗證了細胞在合適條件下有垂直于拉伸方向取向的特性。
圖2 周期性拉伸下的細胞取向
作者還借助源于建筑學中的張拉整體結構模型（tensegrity model）對材料表面的細胞處于周期性單軸拉伸時取向和能量之間的關系及其時間依賴性進行了推演。理論計算不僅得出了垂直取向的結論，而且對細胞取向有序度隨時間的演化也給出了與實驗一致的動力學趨勢。這是為數不多的可對粗粒化的細胞模型進行處理、且給出解析解的理論工作。
展開 生物組織的正常工作，需要良好的力學性能和血液循環。具體的例子包括跳動的心臟和伸縮的肌肉。可注射水凝膠因其簡單、易用、微創等特性，是治療受損組織的首選材料。但是，可注射水凝膠的臨床應用受制于兩大難點。第一，常用的水凝膠內部的孔徑在10納米量級，這么小的孔徑阻礙血液及養分的快速輸運；超過1-3 毫米的凝膠，若無血管化，難以保障深層細胞的存活。快速血管化難以在可注射水凝膠中實現，因此現有材料難以應用于厘米級別以上的組織和器官。第二，現有可注射水凝膠的斷裂韌性普遍偏低，難以勝任一些活動部位軟組織的修復。比如人類的聲帶在工作時會產生每秒上百次的高頻大幅度震動，目前尚無可注射水凝膠能夠經受住如此極端的機械刺激而不破裂。此外，增加水凝膠孔徑可以有效促進營養滲透，但會損失機械性能。近些年開發的雙網絡水凝膠，大多數基于具有生物毒性的單體和反應條件，因此無法用于注射。即使是使用現有的細胞兼容的雙網絡水凝膠配方也無法解決水凝膠滲透率低的問題。
針對以上問題，加拿大麥吉爾大學的李劍宇和Luc Mongeau教授團隊首次提出利用分步交聯和微分相行為，創造出細胞兼容、可注射、可澆灌的多孔雙網絡水凝膠（Porous double-network hydrogels, 簡稱PDN）。該方法創造出的水凝膠具有細胞大小的聯通的微孔，在無血管化的條件下，細胞培養基可直接穿透器官級別厚度的水凝膠來保障其中細胞的存活和生長。與此同時，該凝膠體系具有高韌性，抗疲勞，且對缺陷不敏感。在長時間高頻生理機械環境刺激后保持無破損（120Hz頻率下大于6百萬次）。該方法首次集多孔、增韌、可注射性、細胞兼容等考量于一體，有望實現對治療活躍軟組織部位的修復，同時解鎖新的生物應用的可能性。
展開 </p><p><br></p><p><img src="http://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_rar.gif"><a href="https://oss.jishulink.com/upload/201909/b7757313ba92484a86d7b8f274e56ea5.rar" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(0, 102, 204);">細胞微管吸吮仿真.rar</a></p><p><br></p><p>細胞微管吸吮技術：在負壓作用下細胞變形通過微管，以動力學的方式來研究細胞的力學和粘彈性特性。</p><p><br></p><p>comsol復現的動圖：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201909/90a65ae15b7040dfbdadd1273fb30f85.gif"></p><p>微流動控制裝置在醫療診斷中的廣泛應用,引起了人們對細胞在狹隘環境中變形及破損等行為的關注。細胞通過微縮通道時的變形與響應特性可以量化其力學、物理及生化特性,從而用于細胞的分類及癌癥診斷。單細胞力學實驗和計算模型也越來越多地應用于研究細胞的變形,評估活細胞的力學性質。</p><p>研究結果表明:細胞在開始進入微縮通道時減速,拉長自身,當細胞絕大部進入微縮結構后,迅速加速直至細胞完全進入微縮通道;細胞在微縮通道中的運動速度幾乎不變。當細胞從微縮結構的出口離開時,又逐漸恢復了球形。數值模擬所得到的細胞變形、吸入及釋放復原的形態與實驗結果吻合。
展開 生物力學主要涉及(1)生物流變學；(2)生理流動的力學規律；(3)器官力學；(4)細胞力學；(5)人體和其它生物的運動學。已經取得了許多重要成果。
21世紀生物力學將沿著已有方向前進，一方面和生物學各分支結合，另一方面與醫學和生物生化制品相結合。
生物醫學工程有望在21世紀得到重大發展，組織工程將是它的前沿，而生物力學則是其基礎。
生物力學還將為生物反應器和分離器的設計提供科學依據、新方法和新技術。
植物的生物力學研究也將作為改善生態環境、提高農產品產量的一部分而被列入21世紀研究日程。
力學與物理學的進一步交叉
20世紀50年代開始，力學家提出了物理力學，目的是通過物質微觀分析，把有關物質宏觀力學性質的實驗數據加以整理和總結，找出其規律，從而預見新的材料性質。
此分支學科一提出就得到了多方響應并取得了部分成果。例如，在高溫氣體、氣體激光器和核物理研究中都取得了喜人的成果。
但是，在用物理力學方法解釋固體的塑性、強度、損傷和斷裂等方面，卻遇到了極大的困難。
可是，情況在發生重要變化，人們已經認識到對多晶材料至少存在宏觀、細觀和微觀三個主要層次，從微觀的簡單演繹不可能得到宏觀的性質。
由于細觀力學等的進展，在21世紀比較滿意地建立宏、細、微觀層次間的關系，應該是物理力學研究的重要領域。
水分子主動嵌入并形成仿生表面復合結構
為此，應當充分利用和開發計算機模擬和現代宏、細、微觀實驗與觀測技術，促進(1)固體非平衡/不可逆熱力學理論；(2)塑性與強度的統計理論；(3)原子甚至電子層次上子系統的動力學理論等的研究。
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這一結果為深入了解上皮細胞的活性力學特性提供了依據，并為構建可持續建筑的工程組織提供了方法。
生物組織的正常工作，需要良好的力學性能和血液循環。具體的例子包括跳動的心臟和伸縮的肌肉。可注射水凝膠因其簡單、易用、微創等特性，是治療受損組織的首選材料。但是，可注射水凝膠的臨床應用受制于兩大難點。第一，常用的水凝膠內部的孔徑在10納米量級，這么小的孔徑阻礙血液及養分的快速輸運；超過1-3 毫米的凝膠，若無血管化，難以保障深層細胞的存活
三維(3D)打印結構制造的快速發展，徹底改變了力學/聲學超材料功能結構、細胞力學生物材料和能源
谷教授實驗室著重研究細胞對微環境中力學與生化信號的感知與響應，探索細胞力學信號傳導在組織再生、免疫治療和基因編輯的中的作用與意義，并由此啟示的新型生物材料的研發。
邊黎明教授2021年入職華南理工大學生物醫學科學與工程學院，現任長江學者特聘教授。
動態超分子水凝膠的構建及其力學性質和細胞鋪展行為。
進一步研究發現，由CD-ADA交聯的具有更高網絡動態性質的水凝膠，除加快細胞三維鋪展行外，還顯著增強干細胞在三維動態水凝膠中的機械力信號轉導，提高了細胞力學傳感轉錄因子YAP的細胞核轉運。
利用光刻技術、軟蝕刻技術和有限元分析方法，丁建東教授課題組設計和制備了適用于細胞力學拉伸研究的雙層聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控裝置。該裝置的工作原理為：當芯片側腔抽真空時，其體積減小，導致中間流體通道的薄膜發生拉伸，進而對黏附于薄膜上的細胞施加周期性拉伸作用。
單細胞力學實驗和計算模型也越來越多地應用于研究細胞的變形,評估活細胞的力學性質。</p><p>研究結果表明:細胞在開始進入微縮通道時減速,拉長自身,當細胞絕大部進入微縮結構后,迅速加速直至細胞完全進入微縮通道;細胞在微縮通道中的運動速度幾乎不變。當細胞從微縮結構的出口離開時,又逐漸恢復了球形。數值模擬所得到的細胞變形、吸入及釋放復原的形態與實驗結果吻合。
CAE在生物醫療領域中的分析問題通常包括生物固體力學、生物與生理流體力學、細胞生物力學、康復工程力學、運動系統力學等。而隨著仿真分析技術水平的不斷提升以及國內外研究學者對醫療事業的不斷重視，在上述的五個方面從試驗和仿真分析以及解析計算三方面有了很大的發展，尤其是在仿真分析方面，不論是材料本構的開發，還是仿真手段的創新都有許多的新發展。
值得一提的是，由于大藍閃蝶鱗片和心肌細胞尺寸相似，基于鱗翅基底的單細胞水平的力學研究也可以通過簡單的光學傳感實現（如圖6所示）。
在大會的14個邀請報告中，上海交通大學齊穎新、西北工業大學楊慧、西安交通大學徐峰、浙江大學陳偉、中國科學技術大學姜洪源、大連理工大學于申、北京航空航天大學王麗珍和電子科技大學劉貽堯等8位70后和80后年輕教授的報告特別引人注目，他們分別介紹了近年來在心血管力學生物學、特殊環境免疫力學生物學、生物材料力學、細胞分子生物力學、腫瘤力學生物以及生物力學研究與臨床應用等方面取得的最新研究進展和成果，充分展示了我國生物力學學科青年一代學者的風采和實力
