細(xì)胞力學(xué)的案例
：超結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)水凝膠促進(jìn)干細(xì)胞在三維環(huán)境中的力學(xué)傳感與分化
因此所得到的兩種主客體水凝膠（分別由CD-ADA和CD-CA結(jié)合體交聯(lián)）雖然表現(xiàn)出相近的靜態(tài)力學(xué)特征（如溶脹行為，儲(chǔ)能模量等），但同時(shí)展現(xiàn)迥異的動(dòng)態(tài)力學(xué)特征（損耗模量），證明由CD-ADA交聯(lián)的水凝膠具有更高的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。至關(guān)重要的是，在CD-ADA為交聯(lián)水凝膠中，干細(xì)胞表現(xiàn)出不同尋常的超快三維星狀鋪展（封裝后18小時(shí)）。而在CD-ADA為交聯(lián)水凝膠中，干細(xì)胞的三維鋪展則顯著較慢。這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明主客體超分子水凝膠所含可逆交聯(lián)的動(dòng)力學(xué)常數(shù)對(duì)封裝在水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)中的干細(xì)胞的發(fā)育行為有著重要的調(diào)控作用。
圖1. 動(dòng)態(tài)超分子水凝膠的構(gòu)建及其力學(xué)性質(zhì)和細(xì)胞鋪展行為。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，由CD-ADA交聯(lián)的具有更高網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性質(zhì)的水凝膠，除加快細(xì)胞三維鋪展行外，還顯著增強(qiáng)干細(xì)胞在三維動(dòng)態(tài)水凝膠中的機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，提高了細(xì)胞力學(xué)傳感轉(zhuǎn)錄因子YAP的細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬（分子動(dòng)力MD，動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛算法KMC），該研究也證實(shí)了動(dòng)態(tài)水凝膠交聯(lián)動(dòng)力學(xué)常數(shù)對(duì)細(xì)胞力學(xué)與三維鋪展的影響（圖2）。
圖2. 計(jì)算機(jī)模擬水凝膠中的動(dòng)態(tài)交聯(lián)作用及其在細(xì)胞力學(xué)作用下的可逆絡(luò)合。
此外，該研究也發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞對(duì)于動(dòng)態(tài)水凝膠的生物物理動(dòng)力學(xué)特征的感知與反應(yīng)，也取決于生物大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的細(xì)胞黏附特征。只有當(dāng)RGD通過(guò)共價(jià)鍵修飾的方式連接于水凝膠網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，細(xì)胞的三維鋪展才會(huì)顯著受動(dòng)態(tài)交聯(lián)性質(zhì)的影響。而當(dāng)RGD通過(guò)非共價(jià)的方式連接于水凝膠網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，細(xì)胞則無(wú)法感知網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性以進(jìn)行快速三維鋪展（圖3）。
圖3.
展開(kāi) 復(fù)旦丁建東教授課題組對(duì)單軸周期性拉伸力學(xué)刺激下彈性高分子表面的細(xì)胞取向進(jìn)行研究
細(xì)胞可以通過(guò)力轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程對(duì)所處微環(huán)境中的力學(xué)刺激信號(hào)作出響應(yīng)，動(dòng)態(tài)拉伸已被證實(shí)對(duì)細(xì)胞行為具有顯著影響，這是一個(gè)生物材料學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)、生物力學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的交叉學(xué)科課題。近日，復(fù)旦大學(xué)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(xì)胞取向存在臨界響應(yīng)頻率和臨界拉伸速率，并結(jié)合高分子鏈松弛理論為該臨界現(xiàn)象提供了合理闡釋。
利用光刻技術(shù)、軟蝕刻技術(shù)和有限元分析方法，丁建東教授課題組設(shè)計(jì)和制備了適用于細(xì)胞力學(xué)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(dāng)芯片側(cè)腔抽真空時(shí)，其體積減小，導(dǎo)致中間流體通道的薄膜發(fā)生拉伸，進(jìn)而對(duì)黏附于薄膜上的細(xì)胞施加周期性拉伸作用。通過(guò)將PDMS微流控芯片與活細(xì)胞工作站、外源智能化真空泵聯(lián)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞實(shí)時(shí)觀察、細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)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(duì)彈性高分子薄膜表面細(xì)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(tái)，驗(yàn)證了細(xì)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(xì)胞取向
作者還借助源于建筑學(xué)中的張拉整體結(jié)構(gòu)模型（tensegrity model）對(duì)材料表面的細(xì)胞處于周期性單軸拉伸時(shí)取向和能量之間的關(guān)系及其時(shí)間依賴(lài)性進(jìn)行了推演。理論計(jì)算不僅得出了垂直取向的結(jié)論，而且對(duì)細(xì)胞取向有序度隨時(shí)間的演化也給出了與實(shí)驗(yàn)一致的動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)。這是為數(shù)不多的可對(duì)粗粒化的細(xì)胞模型進(jìn)行處理、且給出解析解的理論工作。
展開(kāi) 基于comsol流固耦合的細(xì)胞微管吸吮仿真分析（GDMAT） ￥2800
</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(xì)胞微管吸吮仿真.rar</a></p><p><br></p><p>細(xì)胞微管吸吮技術(shù)：在負(fù)壓作用下細(xì)胞變形通過(guò)微管，以動(dòng)力學(xué)的方式來(lái)研究細(xì)胞的力學(xué)和粘彈性特性。</p><p><br></p><p>comsol復(fù)現(xiàn)的動(dòng)圖：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201909/90a65ae15b7040dfbdadd1273fb30f85.gif"></p><p>微流動(dòng)控制裝置在醫(yī)療診斷中的廣泛應(yīng)用,引起了人們對(duì)細(xì)胞在狹隘環(huán)境中變形及破損等行為的關(guān)注。細(xì)胞通過(guò)微縮通道時(shí)的變形與響應(yīng)特性可以量化其力學(xué)、物理及生化特性,從而用于細(xì)胞的分類(lèi)及癌癥診斷。單細(xì)胞力學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模型也越來(lái)越多地應(yīng)用于研究細(xì)胞的變形,評(píng)估活細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)。</p><p>研究結(jié)果表明:細(xì)胞在開(kāi)始進(jìn)入微縮通道時(shí)減速,拉長(zhǎng)自身,當(dāng)細(xì)胞絕大部進(jìn)入微縮結(jié)構(gòu)后,迅速加速直至細(xì)胞完全進(jìn)入微縮通道;細(xì)胞在微縮通道中的運(yùn)動(dòng)速度幾乎不變。當(dāng)細(xì)胞從微縮結(jié)構(gòu)的出口離開(kāi)時(shí),又逐漸恢復(fù)了球形。數(shù)值模擬所得到的細(xì)胞變形、吸入及釋放復(fù)原的形態(tài)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
展開(kāi) ：能承受百萬(wàn)次高頻力學(xué)加載、細(xì)胞兼容、可注射的多孔雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠
生物組織的正常工作，需要良好的力學(xué)性能和血液循環(huán)。具體的例子包括跳動(dòng)的心臟和伸縮的肌肉。可注射水凝膠因其簡(jiǎn)單、易用、微創(chuàng)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(yīng)用受制于兩大難點(diǎn)。第一，常用的水凝膠內(nèi)部的孔徑在10納米量級(jí)，這么小的孔徑阻礙血液及養(yǎng)分的快速輸運(yùn)；超過(guò)1-3 毫米的凝膠，若無(wú)血管化，難以保障深層細(xì)胞的存活。快速血管化難以在可注射水凝膠中實(shí)現(xiàn)，因此現(xiàn)有材料難以應(yīng)用于厘米級(jí)別以上的組織和器官。第二，現(xiàn)有可注射水凝膠的斷裂韌性普遍偏低，難以勝任一些活動(dòng)部位軟組織的修復(fù)。比如人類(lèi)的聲帶在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生每秒上百次的高頻大幅度震動(dòng)，目前尚無(wú)可注射水凝膠能夠經(jīng)受住如此極端的機(jī)械刺激而不破裂。此外，增加水凝膠孔徑可以有效促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)滲透，但會(huì)損失機(jī)械性能。近些年開(kāi)發(fā)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，大多數(shù)基于具有生物毒性的單體和反應(yīng)條件，因此無(wú)法用于注射。即使是使用現(xiàn)有的細(xì)胞兼容的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠配方也無(wú)法解決水凝膠滲透率低的問(wèn)題。
針對(duì)以上問(wèn)題，加拿大麥吉爾大學(xué)的李劍宇和Luc Mongeau教授團(tuán)隊(duì)首次提出利用分步交聯(lián)和微分相行為，創(chuàng)造出細(xì)胞兼容、可注射、可澆灌的多孔雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Porous double-network hydrogels, 簡(jiǎn)稱(chēng)PDN）。該方法創(chuàng)造出的水凝膠具有細(xì)胞大小的聯(lián)通的微孔，在無(wú)血管化的條件下，細(xì)胞培養(yǎng)基可直接穿透器官級(jí)別厚度的水凝膠來(lái)保障其中細(xì)胞的存活和生長(zhǎng)。與此同時(shí)，該凝膠體系具有高韌性，抗疲勞，且對(duì)缺陷不敏感。在長(zhǎng)時(shí)間高頻生理機(jī)械環(huán)境刺激后保持無(wú)破損（120Hz頻率下大于6百萬(wàn)次）。該方法首次集多孔、增韌、可注射性、細(xì)胞兼容等考量于一體，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)治療活躍軟組織部位的修復(fù)，同時(shí)解鎖新的生物應(yīng)用的可能性。
展開(kāi) 
我們生活的年代，力學(xué)正在如何發(fā)展
生物力學(xué)主要涉及(1)生物流變學(xué)；(2)生理流動(dòng)的力學(xué)規(guī)律；(3)器官力學(xué)；(4)細(xì)胞力學(xué)；(5)人體和其它生物的運(yùn)動(dòng)學(xué)。已經(jīng)取得了許多重要成果。
21世紀(jì)生物力學(xué)將沿著已有方向前進(jìn)，一方面和生物學(xué)各分支結(jié)合，另一方面與醫(yī)學(xué)和生物生化制品相結(jié)合。
生物醫(yī)學(xué)工程有望在21世紀(jì)得到重大發(fā)展，組織工程將是它的前沿，而生物力學(xué)則是其基礎(chǔ)。
生物力學(xué)還將為生物反應(yīng)器和分離器的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)、新方法和新技術(shù)。
植物的生物力學(xué)研究也將作為改善生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的一部分而被列入21世紀(jì)研究日程。
力學(xué)與物理學(xué)的進(jìn)一步交叉
20世紀(jì)50年代開(kāi)始，力學(xué)家提出了物理力學(xué)，目的是通過(guò)物質(zhì)微觀分析，把有關(guān)物質(zhì)宏觀力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以整理和總結(jié)，找出其規(guī)律，從而預(yù)見(jiàn)新的材料性質(zhì)。
此分支學(xué)科一提出就得到了多方響應(yīng)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(xué)方法解釋固體的塑性、強(qiáng)度、損傷和斷裂等方面，卻遇到了極大的困難。
可是，情況在發(fā)生重要變化，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到對(duì)多晶材料至少存在宏觀、細(xì)觀和微觀三個(gè)主要層次，從微觀的簡(jiǎn)單演繹不可能得到宏觀的性質(zhì)。
由于細(xì)觀力學(xué)等的進(jìn)展，在21世紀(jì)比較滿意地建立宏、細(xì)、微觀層次間的關(guān)系，應(yīng)該是物理力學(xué)研究的重要領(lǐng)域。
水分子主動(dòng)嵌入并形成仿生表面復(fù)合結(jié)構(gòu)
為此，應(yīng)當(dāng)充分利用和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)模擬和現(xiàn)代宏、細(xì)、微觀實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)技術(shù)，促進(jìn)(1)固體非平衡/不可逆熱力學(xué)理論；(2)塑性與強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)理論；(3)原子甚至電子層次上子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)理論等的研究。
展開(kāi) 我們生活的年代，力學(xué)正在如何發(fā)展
生物力學(xué)主要涉及(1)生物流變學(xué)；(2)生理流動(dòng)的力學(xué)規(guī)律；(3)器官力學(xué)；(4)細(xì)胞力學(xué)；(5)人體和其它生物的運(yùn)動(dòng)學(xué)。已經(jīng)取得了許多重要成果。
21世紀(jì)生物力學(xué)將沿著已有方向前進(jìn)，一方面和生物學(xué)各分支結(jié)合，另一方面與醫(yī)學(xué)和生物生化制品相結(jié)合。
生物醫(yī)學(xué)工程有望在21世紀(jì)得到重大發(fā)展，組織工程將是它的前沿，而生物力學(xué)則是其基礎(chǔ)。
生物力學(xué)還將為生物反應(yīng)器和分離器的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)、新方法和新技術(shù)。
植物的生物力學(xué)研究也將作為改善生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的一部分而被列入21世紀(jì)研究日程。
力學(xué)與物理學(xué)的進(jìn)一步交叉
20世紀(jì)50年代開(kāi)始，力學(xué)家提出了物理力學(xué)，目的是通過(guò)物質(zhì)微觀分析，把有關(guān)物質(zhì)宏觀力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以整理和總結(jié)，找出其規(guī)律，從而預(yù)見(jiàn)新的材料性質(zhì)。
此分支學(xué)科一提出就得到了多方響應(yīng)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(xué)方法解釋固體的塑性、強(qiáng)度、損傷和斷裂等方面，卻遇到了極大的困難。
可是，情況在發(fā)生重要變化，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到對(duì)多晶材料至少存在宏觀、細(xì)觀和微觀三個(gè)主要層次，從微觀的簡(jiǎn)單演繹不可能得到宏觀的性質(zhì)。
由于細(xì)觀力學(xué)等的進(jìn)展，在21世紀(jì)比較滿意地建立宏、細(xì)、微觀層次間的關(guān)系，應(yīng)該是物理力學(xué)研究的重要領(lǐng)域。
水分子主動(dòng)嵌入并形成仿生表面復(fù)合結(jié)構(gòu)
為此，應(yīng)當(dāng)充分利用和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)模擬和現(xiàn)代宏、細(xì)、微觀實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)技術(shù)，促進(jìn)(1)固體非平衡/不可逆熱力學(xué)理論；(2)塑性與強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)理論；(3)原子甚至電子層次上子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)理論等的研究。
來(lái)源：ANSYS學(xué)習(xí)與應(yīng)用
展開(kāi) 華南理工邊黎明教授團(tuán)隊(duì)《Chem. Rev.》綜述：結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)水凝膠及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 – 追求宏觀穩(wěn)定性與微觀動(dòng)態(tài)性之間的良好平衡
首先，軟組織ECM的微觀動(dòng)態(tài)性是細(xì)胞鋪展、遷移、增殖、分化等正常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。在人體中，包括腦、肝臟在內(nèi)的許多重要器官與組織在力學(xué)上都表現(xiàn)出應(yīng)力松弛、蠕變等動(dòng)態(tài)特性。從微觀角度來(lái)看，不同聚合物鏈之間可逆相互作用的瞬時(shí)破壞與重建通常被認(rèn)為是ECM重組和產(chǎn)生粘彈性行為的物質(zhì)基礎(chǔ)。ECM這些微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)對(duì)所包含細(xì)胞的增殖、遷移、分化、發(fā)育等各項(xiàng)細(xì)胞行為有重要的調(diào)控作用。因此，利用動(dòng)態(tài)水凝膠中重現(xiàn)這種動(dòng)態(tài)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于模擬 ECM的功能至關(guān)重要。同時(shí)，很多軟組織（如軟骨、皮膚、韌帶等）的ECM都具有非常優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)，可以承擔(dān)高強(qiáng)度的反復(fù)生物力學(xué)載荷。從水凝膠功能的角度來(lái)講，動(dòng)態(tài)水凝膠在體外培養(yǎng)或植入體內(nèi)后，需要在一定時(shí)間內(nèi)保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及一定的力學(xué)強(qiáng)度以維持其特定功能。材料的宏觀整體穩(wěn)定性與微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性這一對(duì)看似矛盾的特性卻在軟骨、皮膚等軟組織的天然ECM中同時(shí)得到了完美的呈現(xiàn)。因此，這也是以生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用為導(dǎo)向的動(dòng)態(tài)水凝膠仿生設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。此外，動(dòng)態(tài)水凝膠應(yīng)具有明確定義的化學(xué)成分，以提供穩(wěn)定、可重現(xiàn)的性質(zhì)。為確保水凝膠的安全應(yīng)用，相應(yīng)成分應(yīng)具有最小的細(xì)胞毒性和良好的生物相容性。此外，為應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的需求，動(dòng)態(tài)水凝膠制備的成本、效益、以及規(guī)模化生產(chǎn)的可行性亦應(yīng)該得到考慮。
近年來(lái)，隨著對(duì)水凝膠動(dòng)態(tài)行為分子機(jī)制的不斷了解，研究者們開(kāi)發(fā)了許多有前途的方法來(lái)制造水凝膠并調(diào)節(jié)其動(dòng)態(tài)特性，例如，通過(guò)調(diào)整聚合物結(jié)構(gòu)或交聯(lián)方法。根據(jù)水凝膠動(dòng)態(tài)性的來(lái)源不同，這些方法可以分為兩大類(lèi)：降解依賴(lài)性策略以及降解非依賴(lài)性策略。前者主要包括水解、酶解、光響應(yīng)降解等，后者則涵蓋了動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵、離子（靜電）相互作用、動(dòng)態(tài)離子-配體相互作用、主-客體相互作用、動(dòng)態(tài)構(gòu)型變化、氫鍵等動(dòng)態(tài)相互作用。
展開(kāi) 第十二屆全國(guó)生物力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議在西安召開(kāi)
在大會(huì)的14個(gè)邀請(qǐng)報(bào)告中，上海交通大學(xué)齊穎新、西北工業(yè)大學(xué)楊慧、西安交通大學(xué)徐峰、浙江大學(xué)陳偉、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)姜洪源、大連理工大學(xué)于申、北京航空航天大學(xué)王麗珍和電子科技大學(xué)劉貽堯等8位70后和80后年輕教授的報(bào)告特別引人注目，他們分別介紹了近年來(lái)在心血管力學(xué)生物學(xué)、特殊環(huán)境免疫力學(xué)生物學(xué)、生物材料力學(xué)、細(xì)胞分子生物力學(xué)、腫瘤力學(xué)生物以及生物力學(xué)研究與臨床應(yīng)用等方面取得的最新研究進(jìn)展和成果，充分展示了我國(guó)生物力學(xué)學(xué)科青年一代學(xué)者的風(fēng)采和實(shí)力。
本屆大會(huì)分設(shè)了骨關(guān)節(jié)、心血管、細(xì)胞分子、眼耳鼻喉、康復(fù)與運(yùn)動(dòng)等7個(gè)分會(huì)場(chǎng)以及壁報(bào)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，其中分會(huì)場(chǎng)主題報(bào)告54篇、一般報(bào)告226篇和壁報(bào)423篇。會(huì)議還以青年學(xué)者/研究生優(yōu)秀論文分會(huì)場(chǎng)評(píng)比和研究生壁報(bào)優(yōu)秀論文評(píng)比的形式進(jìn)行了大會(huì)優(yōu)秀論文評(píng)選，最終21位青年學(xué)者、67位研究生榮獲“大會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”。
此外，會(huì)議期間還召開(kāi)了中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)/中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)生物力學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)生物物理學(xué)會(huì)生物力學(xué)與生物流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)全體委員聯(lián)席會(huì)議、《醫(yī)用生物力學(xué)》雜志第七屆編委會(huì)全體會(huì)議以及青年學(xué)者座談會(huì)。經(jīng)全體委員無(wú)記名投票決定，下屆（第十三屆）全國(guó)生物力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議將于2021年8月在貴陽(yáng)舉辦，貴州醫(yī)科大學(xué)承辦。
“全國(guó)生物力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議”是由中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)/中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)生物力學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主辦、在我國(guó)生物力學(xué)領(lǐng)域最具影響力的系列學(xué)術(shù)會(huì)議，每三年舉辦一屆。該系列學(xué)術(shù)會(huì)議對(duì)我國(guó)生物力學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流發(fā)揮了很大的作用，極大地促進(jìn)了我國(guó)生物力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展。本屆大會(huì)在中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)生物力學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)之下，西北工業(yè)大學(xué)楊慧教授團(tuán)隊(duì)精心組織、辛勤工作，廣大生物力學(xué)工作者的積極參與，使得大會(huì)取得圓滿成功。
展開(kāi) 麻省理工《Science Advances》：一種新的立體光刻增材制造技術(shù)！
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1200
三維(3D)打印結(jié)構(gòu)制造的快速發(fā)展，徹底改變了力學(xué)/聲學(xué)超材料功能結(jié)構(gòu)、細(xì)胞力學(xué)生物材料和能源/環(huán)境應(yīng)用結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。例如，3D微結(jié)構(gòu)與力學(xué)順應(yīng)材料和定制構(gòu)建的支架，為生物相容性和確定的硬度提供了量身定制的功能。此外，功能結(jié)構(gòu)在催化體系中的應(yīng)用，通過(guò)使用微尺度和納米尺度的結(jié)構(gòu)來(lái)提高效率，設(shè)計(jì)的目的是在降低質(zhì)量的情況下增加比表面積和體積比。此外，隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)步，可以在各種空間尺度甚至亞微米尺度下，制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)。常用的立體光刻技術(shù)，支持高分辨率和幾何復(fù)雜產(chǎn)品的制作，最近的進(jìn)展已經(jīng)大大提高了特征分辨率、速度和構(gòu)建尺寸。例如，數(shù)字微鏡裝置和空間光調(diào)制器，可用于大面積的固化[稱(chēng)為投影微立體光刻(PμSL)]，而不是單點(diǎn)或多點(diǎn)激光系統(tǒng)使用的傳統(tǒng)跟蹤方法。最近的工作已經(jīng)證明了PμSL的變體，它結(jié)合了串行打印過(guò)程，在不犧牲分辨率的情況下，許多重復(fù)的掃描周期擴(kuò)展了總體構(gòu)建大小。
展開(kāi) 仿真技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
近些年來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)在機(jī)械，汽車(chē)，航空，航天，醫(yī)療，電子產(chǎn)品，土木及材料力學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CAE技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到我們生活的各個(gè)角落，沒(méi)有你不敢想，只有你想不到。
今天小編分享的是CAE仿真技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。CAE在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的分析問(wèn)題通常包括生物固體力學(xué)、生物與生理流體力學(xué)、細(xì)胞生物力學(xué)、康復(fù)工程力學(xué)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)等。而隨著仿真分析技術(shù)水平的不斷提升以及國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)醫(yī)療事業(yè)的不斷重視，在上述的五個(gè)方面從試驗(yàn)和仿真分析以及解析計(jì)算三方面有了很大的發(fā)展，尤其是在仿真分析方面，不論是材料本構(gòu)的開(kāi)發(fā)，還是仿真手段的創(chuàng)新都有許多的新發(fā)展。由于CAE仿真的可重復(fù)性、高效率和通用性，廣受研究者們的青睞。
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CAE技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的典型應(yīng)用
人類(lèi)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的勞動(dòng)進(jìn)化后,人體骨骼已形成了一個(gè)幾乎完美的力學(xué)結(jié)構(gòu)。
展開(kāi) 《先進(jìn)材料》具有心跳的閃蝶鱗翅
該方法利用大藍(lán)閃蝶鱗翅的脊?fàn)罘旨?jí)結(jié)構(gòu)的取向誘導(dǎo)性以及鱗翅主要成分幾丁質(zhì)的生物相容性，使組裝其上的心肌細(xì)胞定向生長(zhǎng)并恢復(fù)自主跳動(dòng)。心肌細(xì)胞在周期性跳動(dòng)過(guò)程中的收縮和舒張帶動(dòng)鱗翅經(jīng)歷同步的彎曲形變，導(dǎo)致鱗翅結(jié)構(gòu)色和光子禁帶產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而達(dá)到心肌力學(xué)性能自報(bào)告的目的。
圖1 基于大藍(lán)閃蝶鱗翅構(gòu)建心臟芯片示意圖
利用等離子體接枝技術(shù)，使大藍(lán)閃蝶鱗翅表面由超疏水變?yōu)橛H水，以適應(yīng)細(xì)胞培養(yǎng)的需求；通過(guò)碳納米管在脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)間隙之間的定向填充，增加鱗翅基底的電傳導(dǎo)效率，提升心肌細(xì)胞的搏動(dòng)一致性；通過(guò)在鱗翅表面覆蓋生物相容性水凝膠薄層，進(jìn)一步提高鱗翅基底的生物相容性（如圖2和圖3）。
圖2 大藍(lán)閃蝶鱗翅基底的處理過(guò)程
圖3 用大藍(lán)閃蝶鱗翅基底培養(yǎng)心肌細(xì)胞
由于大藍(lán)閃蝶鱗翅基底經(jīng)過(guò)處理具有較好的柔性，心肌細(xì)胞在自主收縮時(shí)帶動(dòng)鱗翅基底產(chǎn)生周期性彎曲。利用鱗翅結(jié)構(gòu)色的角度依賴(lài)性，在固定觀察位置記錄不同彎曲角度下鱗翅的結(jié)構(gòu)色光譜位置，可以直觀的反映心肌細(xì)胞的跳動(dòng)頻率和產(chǎn)生收縮力的大小（如圖4所示）。
圖4 心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的大藍(lán)閃蝶鱗翅基底變色過(guò)程
基于這種直觀的顏色或光譜變化，大藍(lán)閃蝶鱗翅基底可以用作心臟藥物的評(píng)估和篩選。通過(guò)鱗翅基底的結(jié)構(gòu)色光譜波峰移動(dòng)的頻率和差值，可以即時(shí)得到藥物對(duì)心肌細(xì)胞的作用（如圖5所示）。值得一提的是，由于大藍(lán)閃蝶鱗片和心肌細(xì)胞尺寸相似，基于鱗翅基底的單細(xì)胞水平的力學(xué)研究也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的光學(xué)傳感實(shí)現(xiàn)（如圖6所示）。
展開(kāi) 
武漢理工麥立強(qiáng)&徐林Chem綜述：納米線–生物界面進(jìn)展：從能量轉(zhuǎn)換到電生理學(xué)
例如，樹(shù)枝狀納米線陣列能與細(xì)胞形成更穩(wěn)定的接觸以及更多的接觸位點(diǎn)。蘑菇狀的類(lèi)似于脊柱形狀的納米線能和神經(jīng)元形成穩(wěn)定的接觸，增強(qiáng)細(xì)胞與電極之間的信號(hào)傳輸，提高傳感器的信噪比。彎折形狀的納米線可以像針尖一樣進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，探測(cè)細(xì)胞膜內(nèi)信號(hào)，還可以作為微小的力學(xué)傳感器探測(cè)細(xì)胞的力學(xué)行為。
3.人工光合作用
自然界中的光合作用是綠色植物或某些細(xì)菌能夠吸收光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成富能有機(jī)物，同時(shí)釋放出氧氣。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，不僅可以存儲(chǔ)太陽(yáng)能，而且可以有效地固定溫室氣體二氧化碳。然而，自然界光合作用的轉(zhuǎn)化效率是非常低的。研究者們一直希望效仿自然界光合作用，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的人工光合作用系統(tǒng)。利用集成高選擇性的生物催化劑和高效光吸收的無(wú)機(jī)材料構(gòu)筑的無(wú)機(jī)材料–細(xì)菌光合系統(tǒng)是一個(gè)比較可行的思路，其類(lèi)型可以根據(jù)細(xì)菌與無(wú)機(jī)材料的復(fù)合類(lèi)型分為接觸型復(fù)合系統(tǒng)和分散型復(fù)合系統(tǒng)。
3.1 接觸型復(fù)合系統(tǒng)
最有代表性的接觸型復(fù)合光合系統(tǒng)是由加州大學(xué)伯克利分校的楊培東院士開(kāi)創(chuàng)的。楊培東院士團(tuán)隊(duì)將厭氧型細(xì)菌（Sporomusa ovata）培育在硅納米線陣列上。硅納米線構(gòu)筑的陣列可以作為光吸收器，納米線的形貌不僅提供了很大的與細(xì)菌接觸的比表面積，而且創(chuàng)造了有利于CO2還原的局部厭氧環(huán)境。這種生物兼容納米材料–細(xì)菌復(fù)合系統(tǒng)在溫和條件下能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。此外，他們?cè)诜枪夂闲图?xì)菌（Moorella thermoacetica）表面復(fù)合了光敏感的CdS納米顆粒，這種生物復(fù)合系統(tǒng)集成了具有高吸收效率的無(wú)機(jī)納米材料和具有高選擇性、低成本、自修復(fù)的生物催化劑。CdS作為光吸收器捕獲光能，向細(xì)菌內(nèi)輸送氫離子，并在內(nèi)部進(jìn)行CO2還原，進(jìn)而產(chǎn)生乙酸。
展開(kāi) 《Adv Mater》：機(jī)械誘導(dǎo)固-液轉(zhuǎn)變的組織工程！
上皮形態(tài)發(fā)生和動(dòng)態(tài)平衡的維持是由其顯著的力學(xué)機(jī)制控制的，即通過(guò)積極重塑細(xì)胞-細(xì)胞連接和調(diào)節(jié)局部應(yīng)力分布，上皮可以變得有彈性、可塑性和粘性。
來(lái)自洛桑理工學(xué)院費(fèi)德拉爾分校的學(xué)者利用顯微制造、FNITE元素模擬、光片顯微鏡和機(jī)器人顯微操作被用來(lái)顯示覆蓋在上皮皮膚上的膠原凝膠是形狀可編程的軟物質(zhì)。該過(guò)程涉及由機(jī)械擾動(dòng)引起的固體到流體的轉(zhuǎn)變，在組織界面產(chǎn)生空間分布的表面應(yīng)力，并且服從加法和減法制造技術(shù)。通過(guò)指導(dǎo)基材的各種模塑、雕刻和組裝形式的形態(tài)形成，本文展示了這種用于工程設(shè)計(jì)者的策略的健壯性和多功能性。這一結(jié)果為深入了解上皮細(xì)胞的活性力學(xué)特性提供了依據(jù)，并為構(gòu)建可持續(xù)建筑的工程組織提供了方法。相關(guān)文章以“Tissue Engineering with Mechanically Induced Solid-Fluid Transitions”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials。
展開(kāi) 