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西安交大徐光魁教授課題組 JMPS: “矛盾”的細胞硬化與軟化標度律流變學特性
2022-07-19  來源：高分子科技

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


  為了探究細胞在拉伸載荷下的冪律流變學行為及其所蘊含的物理規(guī)律，西安交通大學徐光魁教授通過建立考慮加載條件的多尺度細胞結(jié)構(gòu)力學模型（圖 1），研究了細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行為的形成機制。此外，通過自相似多級結(jié)構(gòu)模型，使用標度律指數(shù)與細胞剛度的關系將看似矛盾的細胞硬化和流化行為統(tǒng)一起來。


圖 1 細胞力學建模以及單軸和雙軸拉伸載荷下的細胞力學模型


細胞的硬化-軟化冪律流變學行為


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


圖 2 細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行為


 圖 3 細胞在雙軸拉伸載荷下的細胞骨架纖維的屈曲行為


細胞硬化-軟化過程中的統(tǒng)一物理關系


  通過建立含有不同數(shù)目微管（150 ~ 3200）的細胞模型，得到了它們在硬化和軟化過程中的蠕變響應，作者發(fā)現(xiàn)含有不同數(shù)目微管的細胞在硬化-軟化過程中下的標度律指數(shù)和細胞剛度都符合統(tǒng)一的物理關系。盡管細胞對單軸和雙軸拉伸載荷表現(xiàn)出看似“矛盾”的流變學行為，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。加載條件對細胞流變學行為的影響進一步說明了離散的細胞骨架及其狀態(tài)在細胞流變學中的關鍵作用。這些結(jié)果也說明細胞內(nèi)部既是一個結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡空間，又是一種軟材料，其中生物大分子和機械影響是復雜的、不可分割的，但又結(jié)合起來產(chǎn)生簡單而統(tǒng)一的物理學規(guī)律。細胞的標度律指數(shù)和細胞剛度之間呈現(xiàn)出了具有普適性的統(tǒng)一關系，它將細胞內(nèi)復雜的流變學響應降低到只有兩個參數(shù)（標度律指數(shù)和細胞剛度）的維度。這一統(tǒng)一的物理關系表明冪律流變學響應、應力硬化和瞬態(tài)拉伸載荷下的流化并不是相互獨立的，而是通過細胞剛度作為紐帶相互依賴。這使得在闡述細胞的流變學行為時可以忽略其中的復雜性和異質(zhì)性，使用標度律指數(shù)、剛度以及細胞剛度與標度律指數(shù)的統(tǒng)一關系等來表征細胞的粘彈性力學行為，而將這些力學性能參數(shù)與生物物理因素聯(lián)系起來，可以為癌癥診斷等提供新的思路。 


圖 4 實驗與模擬得到的標度律指數(shù)和細胞剛度都符合統(tǒng)一的物理關系


  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徐光魁教授。此前，徐光魁教授課題組針對細胞材料獨特的冪律蠕變響應和群體遷移運動已進行了相關研究，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。這些研究得到了國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金的資助。


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

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（責任編輯：xu）
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