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西安交大徐光魁教授課題組 JMPS: “矛盾”的細(xì)胞硬化與軟化標(biāo)度律流變學(xué)特性
2022-07-19  來(lái)源：高分子科技

  心臟的跳動(dòng)、肺部的充氣以及腸道的蠕動(dòng)等使得不同功能和類型的細(xì)胞類型承受著極大的應(yīng)力。應(yīng)力是對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、遷移、重塑和基因表達(dá)強(qiáng)有力的刺激。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明細(xì)胞在單軸及雙軸的拉伸載荷下會(huì)顯示出“矛盾”的硬化-軟化的冪律流變學(xué)行為，并發(fā)生向固體或流體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。目前，關(guān)于細(xì)胞的硬化-軟化力學(xué)響應(yīng)的研究主要集中在分子層次，主要的細(xì)胞模型只能解釋細(xì)胞硬化或軟化的某個(gè)方面，其在不同加載條件下的“矛盾”的流變學(xué)行為的形成機(jī)制以及其中所蘊(yùn)含的物理規(guī)律尚不明確。細(xì)胞硬化-軟化涉及到的機(jī)制不僅與特定的信號(hào)中間物的介導(dǎo)有關(guān)，也與細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)行為密切相關(guān)。


  為了探究細(xì)胞在拉伸載荷下的冪律流變學(xué)行為及其所蘊(yùn)含的物理規(guī)律，西安交通大學(xué)徐光魁教授通過(guò)建立考慮加載條件的多尺度細(xì)胞結(jié)構(gòu)力學(xué)模型（圖 1），研究了細(xì)胞在單軸拉伸載荷下的硬化以及雙軸拉伸載荷下的軟化的冪律流變學(xué)行為的形成機(jī)制。此外，通過(guò)自相似多級(jí)結(jié)構(gòu)模型，使用標(biāo)度律指數(shù)與細(xì)胞剛度的關(guān)系將看似矛盾的細(xì)胞硬化和流化行為統(tǒng)一起來(lái)。


圖 1 細(xì)胞力學(xué)建模以及單軸和雙軸拉伸載荷下的細(xì)胞力學(xué)模型


細(xì)胞的硬化-軟化冪律流變學(xué)行為


  細(xì)胞在兩種載荷形式下分別出現(xiàn)了硬化和軟化的流變學(xué)行為（圖 2），硬化過(guò)程中伴隨著向固體特性的轉(zhuǎn)變而流化過(guò)程則伴隨著向流體轉(zhuǎn)變的流變學(xué)行為，但是在這兩個(gè)看似矛盾的流變學(xué)行為中卻具有統(tǒng)一的物理規(guī)律，即細(xì)胞的冪律流變學(xué)響應(yīng)以及細(xì)胞剛度與細(xì)胞標(biāo)度律指數(shù)之間的統(tǒng)一的物理關(guān)系。細(xì)胞在不同拉伸載荷下的流變學(xué)行為與離散的細(xì)胞骨架的形態(tài)變化密切相關(guān)：?jiǎn)屋S拉伸載荷下，微管向載荷方向的幾何旋轉(zhuǎn)是細(xì)胞硬化的主要原因；而徑向拉伸載荷下，軸向收縮所導(dǎo)致的細(xì)胞骨架纖維的屈曲（圖 3）是細(xì)胞軟化的主要原因。盡管細(xì)胞的流變學(xué)行為具有復(fù)雜性和異質(zhì)性，但是細(xì)胞剛度與標(biāo)度律指數(shù)的簡(jiǎn)單關(guān)系將細(xì)胞復(fù)雜的流變學(xué)力學(xué)行為統(tǒng)一起來(lái)。 


圖 2 細(xì)胞在單軸拉伸載荷下硬化與雙軸拉伸載荷下軟化的流變學(xué)行為


 圖 3 細(xì)胞在雙軸拉伸載荷下的細(xì)胞骨架纖維的屈曲行為


細(xì)胞硬化-軟化過(guò)程中的統(tǒng)一物理關(guān)系


  通過(guò)建立含有不同數(shù)目微管（150 ~ 3200）的細(xì)胞模型，得到了它們?cè)?/span>硬化和軟化過(guò)程中的蠕變響應(yīng)，作者發(fā)現(xiàn)含有不同數(shù)目微管的細(xì)胞在硬化-軟化過(guò)程中下的標(biāo)度律指數(shù)和細(xì)胞剛度都符合統(tǒng)一的物理關(guān)系。盡管細(xì)胞對(duì)單軸和雙軸拉伸載荷表現(xiàn)出看似“矛盾”的流變學(xué)行為，但它們都遵循著相同的統(tǒng)一的物理規(guī)律，而這也是其他模型所不能解釋的。加載條件對(duì)細(xì)胞流變學(xué)行為的影響進(jìn)一步說(shuō)明了離散的細(xì)胞骨架及其狀態(tài)在細(xì)胞流變學(xué)中的關(guān)鍵作用。這些結(jié)果也說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)部既是一個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)空間，又是一種軟材料，其中生物大分子和機(jī)械影響是復(fù)雜的、不可分割的，但又結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生簡(jiǎn)單而統(tǒng)一的物理學(xué)規(guī)律。細(xì)胞的標(biāo)度律指數(shù)和細(xì)胞剛度之間呈現(xiàn)出了具有普適性的統(tǒng)一關(guān)系，它將細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的流變學(xué)響應(yīng)降低到只有兩個(gè)參數(shù)（標(biāo)度律指數(shù)和細(xì)胞剛度）的維度。這一統(tǒng)一的物理關(guān)系表明冪律流變學(xué)響應(yīng)、應(yīng)力硬化和瞬態(tài)拉伸載荷下的流化并不是相互獨(dú)立的，而是通過(guò)細(xì)胞剛度作為紐帶相互依賴。這使得在闡述細(xì)胞的流變學(xué)行為時(shí)可以忽略其中的復(fù)雜性和異質(zhì)性，使用標(biāo)度律指數(shù)、剛度以及細(xì)胞剛度與標(biāo)度律指數(shù)的統(tǒng)一關(guān)系等來(lái)表征細(xì)胞的粘彈性力學(xué)行為，而將這些力學(xué)性能參數(shù)與生物物理因素聯(lián)系起來(lái)，可以為癌癥診斷等提供新的思路。 


圖 4 實(shí)驗(yàn)與模擬得到的標(biāo)度律指數(shù)和細(xì)胞剛度都符合統(tǒng)一的物理關(guān)系


  以上研究成果以“Stiffening and softening in the power-law rheological behaviors of cells”為題于6月16日在線發(fā)表在固體力學(xué)旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。論文第一作者為西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院多尺度力學(xué)-醫(yī)學(xué)交叉實(shí)驗(yàn)室博士生杭久濤，通訊作者是西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院徐光魁教授。此前，徐光魁教授課題組針對(duì)細(xì)胞材料獨(dú)特的冪律蠕變響應(yīng)和群體遷移運(yùn)動(dòng)已進(jìn)行了相關(guān)研究，成果發(fā)表在《Nature Communications》(2021, 12, 6067)、《Science Advances》(2022, 8, eabn6093)和Biophysical Journal (2022, 121, 1931-1939，封面文章)等。這些研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金的資助。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022509622001806

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（責(zé)任編輯：xu）
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