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

圖1 不同種類的細(xì)胞都展現(xiàn)出統(tǒng)一的標(biāo)度律行為

  本文首先建立了考慮細(xì)胞諸多組分的細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型（圖2），可以模擬細(xì)胞標(biāo)度律流變學(xué)響應(yīng)的眾多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。受結(jié)構(gòu)模型啟發(fā)，建立了自相似的多級(jí)結(jié)構(gòu)理論模型（圖3），揭示了標(biāo)度律流變學(xué)的形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞剛度在標(biāo)度律指數(shù)變化中的調(diào)控作用，給出了標(biāo)度律指數(shù)與細(xì)胞剛度的統(tǒng)一關(guān)系以及相應(yīng)的物理規(guī)律。該模型可以自發(fā)地再現(xiàn)蠕變?nèi)崃侩S時(shí)間或復(fù)模量隨頻率變化的標(biāo)度律響應(yīng)規(guī)律，以及標(biāo)度律指數(shù)與細(xì)胞剛度的普適關(guān)系。模型預(yù)測(cè)與不同類型的細(xì)胞、不同狀態(tài)的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都相吻合。該研究表明，細(xì)胞材料普適的標(biāo)度律響應(yīng)主要取決于其統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)特征，而不是具體的分子特性。該項(xiàng)研究不僅可以為生物組織材料的仿生設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，還可以為醫(yī)學(xué)診斷、藥物開發(fā)以及預(yù)后評(píng)估提供新的思路和理論指導(dǎo)。

圖2 細(xì)胞的標(biāo)度律流變學(xué)響應(yīng)

圖3 自相似的細(xì)胞多級(jí)結(jié)構(gòu)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(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)院多尺度力學(xué)-醫(yī)學(xué)交叉實(shí)驗(yàn)室徐光魁教授以及新加坡南洋理工大學(xué)高華健教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和陜西省杰出青年科學(xué)基金的資助。

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