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  力學在生物體發(fā)育過程中扮演著重要角色，隨著細胞生物學的快速發(fā)展，力學因素在細胞尺度上的調控作用受到越來越多的關注。在不同類型、不同狀態(tài)的活細胞粘彈性響應中（圖1），存在著一個統(tǒng)一的標度律響應。盡管已有非常多的模型用于探究細胞的流變學行為，然而，細胞標度律響應是如何自發(fā)產(chǎn)生的？力學在其中扮演什么樣的角色？標度律指數(shù)中又蘊含著什么樣的物理規(guī)律？這些問題至今尚不清楚。

圖1 不同種類的細胞都展現(xiàn)出統(tǒng)一的標度律行為

  本文首先建立了考慮細胞諸多組分的細胞結構模型（圖2），可以模擬細胞標度律流變學響應的眾多實驗現(xiàn)象。受結構模型啟發(fā)，建立了自相似的多級結構理論模型（圖3），揭示了標度律流變學的形成機制，發(fā)現(xiàn)了細胞剛度在標度律指數(shù)變化中的調控作用，給出了標度律指數(shù)與細胞剛度的統(tǒng)一關系以及相應的物理規(guī)律。該模型可以自發(fā)地再現(xiàn)蠕變柔量隨時間或復模量隨頻率變化的標度律響應規(guī)律，以及標度律指數(shù)與細胞剛度的普適關系。模型預測與不同類型的細胞、不同狀態(tài)的細胞實驗數(shù)據(jù)都相吻合。該研究表明，細胞材料普適的標度律響應主要取決于其統(tǒng)一的結構特征，而不是具體的分子特性。該項研究不僅可以為生物組織材料的仿生設計和應用提供理論基礎，還可以為醫(yī)學診斷、藥物開發(fā)以及預后評估提供新的思路和理論指導。

圖2 細胞的標度律流變學響應

圖3 自相似的細胞多級結構模型

  以上研究成果以“A hierarchical cellular structural model to unravel the universal power-law rheological behavior of living cells”為題于10月18日在線發(fā)表在《自然-通訊》上。論文第一作者為西安交通大學航天航空學院多尺度力學-醫(yī)學交叉實驗室博士生杭久濤，通訊作者是西安交通大學航天航空學院多尺度力學-醫(yī)學交叉實驗室徐光魁教授以及新加坡南洋理工大學高華健教授。該研究得到國家自然科學基金和陜西省杰出青年科學基金的資助。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26283-y