Motor-free Contractility in Active Gels
动物细胞形成收缩结构以促进从细胞运动到细胞分裂的各种功能。这些结构中的力产生通常是由于分子马达，如肌球蛋白，其功能需要极性底物。在这里，我们提出了一种无电机的机制，可以在生物聚合物网络中产生收缩，而不需要极性。这种机制是基于交联剂的主动结合/解结合，其打破了细致平衡的原理，以及半柔性生物聚合物的不对称力-延伸响应。我们发现，这两种成分可以通过非热的棘轮式过程产生稳态收缩。我们使用粗粒度和微观模型计算得到的力-速度关系。
2020-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanical response of active gels
我们研究了一个模型的活性凝胶的交联半柔性丝与其他活性接头，如肌球蛋白II簇。我们表明，耦合的半柔性长丝的机械性能的电机的弹性导致收缩行为的凝胶，定性与实验观察。然而，马达软化了凝胶的零频率弹性常数。当集体电动机动力学被纳入模型中时，获得了在高频率下的网络硬化。控制低频和高频网络弹性之间的交叉的频率根据马达和细丝的微观特性进行估计，并且可以低至10^（-3）Hz。
2008-07-18 cond-mat.soft
Microscopic basis for pattern formation and anomalous transport in two-dimensional active gels
本文通过广泛模拟研究了二维活性凝胶中图案形成与反常输运的微观基础，发现高密度和缓慢持续运动的马达会引发反常静态与超扩散质量输运，并指出其源于马达与丝状体间的极性耦合产生的有效自驱动。
2010-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Force percolation of contractile active gels
细胞和组织施加力，可以主动改变形状。这种惊人的自主行为是由细胞骨架提供动力的，细胞骨架包括肌动蛋白丝、交联和肌球蛋白分子马达的活性凝胶。尽管单个马达的大小仅为几nm，并施加几pN的微小力，但细胞在空间上整合马达集合的活动，以在细胞、组织和生物体长度尺度（10 $μ$ m及更大）上产生更大的收缩力（nN及更大阶）。对重构的主动网络模型系统的实验研究长期以来一直表明，网络连接和运动活动之间的机械相互作用主导了收缩行为。最近的理论模型表明，这种相互作用可以理解的渗滤模型，其中网络连接的运动活动的影响。在这里，我们回顾模型收缩活性凝胶的实验和理论研究，并提出了一个状态图，团结了大量的实验和理论观察的基础上的概念，从渗流理论。
2017-07-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Non-equilibrium structure and dynamics in a microscopic model of thin film active gels
在ATP的存在下，分子马达产生主动力偶极子，驱动远离热力学平衡的蛋白质丝悬浮液，导致奇异动力学和斑图形成。微观建模可以帮助量化单个电机加细丝的组织和分子和超分子长度尺度上的动态之间的关系。在这里，我们提出了广泛的数值模拟的活性凝胶的马达和细丝被限制在两个无限的平行板之间的结果。热波动和排除体积之间的相互作用的细丝。电机运动，附件和分离，包括从丝端的差分分离率的速率的系统变化，揭示了一系列的非平衡行为。强烈的马达结合产生结构化的细丝聚集体，我们称之为星状体、束或层，其稳定性取决于马达速度和差异末端分离。通过一个简单的单纤维模型，可以捕捉到所观察到的结构对运动速率和纤维浓度的依赖性的总体特征。松散结合的聚集体表现出超扩散的质量传输，其中丝易位的尺度与滞后时间与非唯一的指数，取决于电机动力学。发现细丝速度作为电机速度和末端分离的函数的经验数据崩溃，表明相关参数空间的降维。最后，我们讨论了活性凝胶领域的微观建模的前景。
2014-02-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Tuning local microstructure of colloidal gels by ultrasound-activated deformable inclusions
胶态凝胶具有对先前剪切事件的记忆，包括稳定的和振荡的。这种嵌入微结构中的记忆会影响凝胶的机械响应，因此可以在精心准备的情况下精确调节材料特性。在这里，我们演示了如何动态的可变形的夹杂物，即气泡，可用于局部调整的胶体凝胶的微观结构。我们研究了两种不同的气泡动力学现象，适用于局部应变周围的材料：溶解由于传质，与$10^{-3}$ S $^{-1}$的特征应变速率;和体积振荡由超声驱动，与$10^4$ S $^{-1}$的特征频率。我们用共聚焦显微镜和粒子跟踪法对Hele-Shaw几何模型中气泡周围的胶体凝胶的微观结构进行了实验研究。在气泡溶解实验中，我们观察到在气泡表面附近形成溶剂袋，但微观结构发生了微小变化。在超声诱导的气泡振荡的实验中，我们观察到一个惊人的重新排列的凝胶颗粒成一个微结构，增加了当地的秩序。高速明场显微镜揭示了高频气泡振荡和稳定的微流流动的发生;两者都有望有助于微观结构中局部秩序的出现。这些意见开辟了道路，局部调整的胶体凝胶的基础上可变形的夹杂物控制的外部压力场。
2021-12-15 cond-mat.soft
Instabilities and Oscillations in Isotropic Active Gels
我们提出了一个通用配方的连续弹性的各向同性交联活性凝胶。凝胶由一个两组分模型组成的弹性网络耦合到渗透流体。活性由活性交联剂诱导，所述活性交联剂经历ATP活化循环并将力传递到网络。的开/关动力学的活性交联剂通过速率方程描述为未绑定和绑定电机。对于大的活动电机产生收缩不稳定的网络。在较小的活动值下，开/关电机动力学在网络上提供有效的惯性阻力，其对抗弹性回复力，导致自发振荡。我们的工作提供了一个连续的配方，统一了早期的肌肉肌节中的振荡微观模型和一个通用的框架，用于描述各向同性活性固体的大尺度特性。
2010-10-04 cond-mat.soft
Rapid local compression in active gels is caused by nonlinear network response
活细胞中的肌动蛋白细胞骨架与肌球蛋白马达蛋白一起产生直接或间接驱动基本细胞过程的力。细胞骨架的半柔性细丝可以对马达的集体作用作出非线性响应。在这里，我们调查力学和力的产生在一个模型肌动蛋白细胞骨架，在体外重建，通过观察嵌入的微米级探针颗粒的响应和波动。肌球蛋白微丝可以模拟为力偶极子，并引起周围交联肌动蛋白网络的变形。异常相关的探针波动表明，除了普通的线性剪切弹性（不可压缩）力偶极子的响应出现的网络的快速局部压缩的存在。压缩的异常传播可以归因于肌动蛋白丝对微观力的非线性响应，并且与马达产生的大规模凝胶硬化定量一致。
2019-12-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Linking particle dynamics to local connectivity in colloidal gels
胶体凝胶是异质网络固体的典型例子，其复杂的性质由热活化动力学控制。在这封信中，我们通过实验建立了单个粒子的间歇动力学与它们的局部连通性之间的联系。我们解释我们的实验与模型，描述单粒子动力学的基础上高度合作的热脱粘。该模型，在定量协议与实验，提供了一个微观图片的结构起源的动态异质性胶体凝胶和揭示了新的光结构和复杂的力学之间的联系，这些异质固体。
2016-12-02 cond-mat.soft
Tunable corrugated patterns in an active gel sheet
活性物质局部地将化学能转化为机械功，因此，它提供了斑图形成的新机制。特别是，由蛋白马达和细丝制成的活性凝胶是远离平衡的系统，其表现出自发流动[Kruse 2004，Voituriez 2005]，导致二维和三维的主动湍流[Sanchez 2012，Kumar 2018]和三维的相干流[Wu 2017]（3D）。虽然这些动态流动揭示了一个特征的长度尺度之间的相互作用所产生的主动强迫和被动回复力，静态和长期的空间格局在活性凝胶的观察仍然难以捉摸。在这项工作中，我们证明了一个2D的独立的生物活性凝胶，自发形成的耗尽力从驱动蛋白马达和微管细丝的3D解决方案，积极地pronounced出平面到厘米大小的周期性波纹片，是稳定的几天在低活性。重要的是，波纹是在没有流动的情况下形成的，并且它们的波长和稳定性由马达浓度控制，与流体动力学理论一致。在较高的活动，这些模式是短暂的凝胶变得动荡在较长的时间。我们的研究结果强调了被动和主动力在形成活性凝胶中的重要性，并表明静态材料可以通过主动机制进行造型。
2019-04-19 cond-mat.soft
Light-activated microtubule-based 2D active nematic
我们的特点是二维（2D）微管为基础的主动向列型驱动的光响应驱动蛋白电机集群。我们评估了两种结构的光遗传驱动蛋白：opto-K401，一种进行性运动，和opto-K365，一种非进行性运动。测量结果显示，光电K365电机的最大和最小照明状态之间的对比度的改善的数量级。聚焦于光K365向列相，我们表征了稳态流动和缺陷密度作为应用光的函数，并研究了稳态之间的瞬态行为。通过在厘米大小的样品上施加的光强度来设置稳态的微扰流和缺陷密度，而与初始条件无关。虽然微扰流在几十秒内达到稳态，但缺陷密度表现出4至10分钟的瞬态行为，显示出小规模主动重组和系统规模结构状态之间的分离。这项工作建立了一个实验平台，以测试理论框架，利用时空异构模式的活动，以产生有针对性的动态状态。
2023-03-06 cond-mat.soft
Molecular motors stiffen non-affine semiflexible polymer networks
重构的丝状肌动蛋白网络与肌球蛋白马达蛋白形成活性凝胶，其中马达蛋白产生驱动网络远离平衡的力。这种运动活动也可以强烈影响网络弹性;实验表明，在体外网络与分子马达显着硬化。在这里，我们研究了电机产生的力对模拟的2D网络的无热刚性细丝力学的影响。我们将展示异质内部电机应力如何导致网络中的纤维弯曲模式所支配的硬化。电机被建模为力偶极子，导致肌肉样收缩。这些收缩“拉出”系统中的松弛弯曲模式，这引起向更硬的拉伸主导状态的交叉。通过这种机制，马达可以导致非线性网络响应，即使构成细丝本身是纯线性的。这些结果对活细胞的力学具有影响，并为具有可调机械性能的活性生物材料提出了新的设计原则。
2010-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Percolation with trapping mechanism drives active gels to the critically connected state
细胞运动和组织形态发生关键取决于肌动球蛋白网络的动态重塑。肌动球蛋白网络由通过交联蛋白和马达蛋白肌球蛋白连接的肌动蛋白聚合物网络组成，马达蛋白肌球蛋白在网络上产生内应力。最近的发现表明，对于一系列实验参数，肌动球蛋白网络收缩成具有幂律尺寸分布的簇[Alvarado J. et al.（2013）Nature Physics 9 591]。在这里，我们认为，肌动球蛋白网络可以表现出强大的关键签名没有微调，因为系统的动态可以映射到一个修改后的版本的渗流与捕获（PT），这是已知的临界行为属于静态渗流普适类，而不需要微调的控制参数。我们进一步使用我们的PT模型来生成实验可检验的预测。
2016-04-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Microtubule-based active fluids with improved lifetime, temporal stability and miscibility with passive soft materials
我们已经开发了几个不同的模型系统的微管为基础的三维主动各向同性流体，并比较了它们的动力学和结构特性。这些流体的非平衡动力学由三种不同类型的驱动蛋白马达提供动力：进行性马达、非进行性马达和永久连接到微管骨架的马达。第四个修改使用特定的微管交联剂，而不是一个非特异性的depletant诱导成束。与以前开发的系统相比，每种新的活性流体配方都具有某些增强的特性。首先，将马达连接到微管骨架将流体的寿命从几小时延长到几天。此外，切换到非进行性马达显著地增加了主动动力学的时间稳定性，而使用特定的交联剂产生了可以结合其他被动软材料（诸如聚合物凝胶或液晶）的系统。这些新开发的模型系统将显着帮助和提高我们的能力，以量化不同的现象，在微管为基础的活性物质。
2018-11-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modelling a Hydrodynamic Instability in Freely Settling Colloidal Gels
有吸引力的胶体分散体，即聚集并经常形成跨越空间的弹性凝胶的细颗粒的悬浮液是社会中普遍存在的材料，具有广泛的应用。当网络重量超过其压缩屈服应力时，这些材料中的胶体网络可以以自由沉降的模式存在。当网络保持固定在适当位置并用作悬浮流体被泵送通过的过滤器时，出现等效状态。在任何一种情况下，流体动力学不稳定性导致网络完整性的损失发生。实验观察表明，完整性的丧失与侵蚀通道的形成有关，即所谓的拖缆，流体通过拖缆快速流动。然而，增长的动力学和随后的崩溃机制仍然知之甚少。在这里，提出了一个唯象模型，动态地描述了一个流光的径向增长，由于网络的快速流体回流的侵蚀。该模型表现出有限的时间爆破-在凝胶中的灾难性故障的发病-由于激活的胶体间键断裂。采用布朗动力学模拟稀凝胶中流体动力学相互作用和沉降的胶体来研究这种不稳定性的引发和传播，这与理论吻合得很好。模型动力学也被证明准确地复制测量的流光生长在两个不同的实验系统。该模型的预测能力和未来的改进进行了讨论，并提出了一个稳定状态图提供深入了解工程策略，以避免解决网络的不稳定性意味着有很长的保质期。
2018-04-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Actively crosslinked microtubule networks: mechanics, dynamics and filament sliding
细胞骨架网络是活性物质的基础实例，并且是细胞中自组织结构的中心。在体内，这些网络是活性的和高度交联的。将它们的大尺度动力学与其组分的性质联系起来仍然是一个未解决的问题。在这里，我们研究了由微管和XCTK 2驱动蛋白马达制成的体外系统，该系统形成对齐的活性凝胶。使用光漂白，我们证明了凝胶的对齐微管，由电机驱动，不断地滑动过去的速度独立于当地的极性。在纺锤体中也观察到这种现象，但仍无法解释。我们从微观角度出发，推导出一个由分子马达交联的粗粒化微管凝胶的一般框架。利用微管-微管耦合和驱动蛋白的力-速度关系，该理论自然地解释了实验结果：马达在极性变化的区域产生主动应变率，这使得相反极性的微管能够在不对材料施加应力的情况下相互滑过。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Shear-induced gelation of self-yielding active networks
分子马达产生的主动应力驱动细胞骨架远离平衡，赋予其可调的机械特性，这些特性对于细胞分裂和运动等多种功能至关重要[1-5]。设计类似的仿生系统是创造能够模拟细胞功能的活性物质的关键先决条件[6-7]。这些长期目标需要了解电机产生的应力如何调整丝状网络的机制[8-11]。在基于微管的活性物质中，驱动蛋白马达产生可伸展运动，导致网络链接的持续断裂和重组[12]。我们研究了这种微观动力学如何改变网络的机械性能，揭示了网络粘度首先随着施加的剪切速率而增加，然后过渡回低粘度状态。通过调节分子马达的速度，可以控制非单调的剪切依赖粘度。一个两状态的唯象模型，结合液体和固体样元素定量相关的非单调剪切速率依赖的粘度，局部测量流量。这些研究表明，可伸展网络的流变学不同于先前研究的活性凝胶[13]，其中收缩性增强了机械刚度。此外，流体动力学相互作用的游泳者的连续模型没有捕获流动诱导的凝胶化[14-21]。活性相关的粘弹性的观察需要发展的软活性固体，其内在的活性应力的屈服或屈服的网络模型。
2020-04-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Stress Fluctuations in Transient Active Networks
受实验的启发，动态可伸展凝胶的生物丝和电机，我们提出了一个模型的线性弹簧网络的动力学组成的增长在规定的速度，死亡后的一生从分布，出生在一个随机选择的节点。该模型捕获的功能，如建立的自应力，不容易纳入流体动力学理论。我们研究的模型数值表明，我们的意见可以在很大程度上理解通过一个随机有效介质模型。由此产生的动态扩展力偶极子网络显示了许多功能的塑性固体，并提供了一种方法，将强非仿射效应到理论的活性固体。我们的主要预测是应力分布的一种相当独特的形式，以及应力对活动的赫歇尔-巴尔克莱依赖性。
2019-01-23 cond-mat.soft
How Molecular Motors' Interaction Shapes Flagellar Beat and Its Fluctuations
Sapienza University of Rome（罗马第一大学）；Sorbonne Université, INSERM, Institut Pierre Louis d’Epidémiologie et de Santé Publique, IPLESP（索邦大学，法国国家健康与医学研究院，皮埃尔·路易流行病学与公共卫生研究所）；Istituto dei Sistemi Complessi - Consiglio Nazionale delle Ricerche（复杂系统研究所-意大利国家研究委员会）；INFN, Sezione Roma2（意大利国家核物理研究所，罗马第二分部）
研究分子马达相互作用对鞭毛摆动及波动的影响，通过分析马达动力学耦合对特征时间、摆动周期和波动质量因子的影响，揭示其非单调行为及双稳态特性。
2026-04-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modeling the dynamics of a tracer particle in an elastic active gel
近年来，活性凝胶在人工（体外）模型系统和活细胞细胞骨架内的内部动力学已经通过实验进行了广泛的研究。这些动力学探测使用示踪粒子嵌入网络的生物聚合物连同分子马达，并观察到不同的非热行为。我们提出了一个理论模型的动态被困的活性粒子，这使我们能够量化的偏离平衡行为，使用分析和数值计算。我们映射在这个系统中的动力学的不同制度，并突出不同的表现形式的活动：维里定理和均分，不同的弹性依赖的“有效温度”和不同的非高斯分布的故障。我们的研究结果揭示了令人困惑的观察在活性凝胶实验，并提供现有的观察结果的物理解释，以及未来的研究预测。
2015-07-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dynamics of nanoparticles in polydisperse polymer networks: From free diffusion to hopping
利用分子动力学模拟研究了嵌入无序多分散聚合物网络中的球形纳米粒子的静态和动态性质。考虑了聚合物-NP相互作用中的排斥力（RNP）和弱吸引力（ANP）。结果发现，对于这两种类型的粒子的NP动力学在中间和长时间的限制参数$C=σ_N/λ$，其中$σ_N$是NP直径和$λ$是动态的本地化长度的交联控制。三个动力学制度被确定：i）对于弱约束（$C \lesssim 1$）的NP可以自由地扩散通过网格; ii）对于强约束（$C \gtrsim 1$）的NP通过激活跳跃进行; iii）对于极端约束（$C \gtrsim 3$）的均方位移显示中间时间尺度上的准平台，因为NP被困在网格很长一段时间。从这个局部的笼子里逃出来是一个强烈依赖于局部环境的过程，因此产生了一个极其不均匀的松弛动力学。模拟数据进行了比较，与两个主要的理论在凝胶中的纳米粒子的扩散过程。这两种理论都很好地描述了NP扩散常数对$C-$的依赖性，但在中间时间尺度上不能再现非均匀动力学。
2021-06-23 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Active diffusion of self-propelled particles in flexible polymer networks
具有网状拓扑结构的生物聚合物网络，细胞外基质和粘液凝胶是普遍存在的。这是一个开放的问题，以了解如何自推进剂，如Janus胶体颗粒扩散通过这样的生物聚合物网络。在这里，我们通过明确建模三维生物聚合物网络和执行Langevin动力学模拟的主动扩散的自推进示踪剂在其中计算深入探讨这个问题。我们发现，活性示踪剂进行不同的扩散动力学取决于网格的颗粒大小和Péclet数（Pe）。当颗粒小于筛目尺寸时，其如同在自由空间中移动，根据聚合物占据密度和Pe，其移动性降低。然而，当颗粒尺寸增加到与筛目尺寸相当时，活性颗粒使用捕获和跳跃机制探索聚合物网络。我们研究了在不同Pe下的捕获时间分布、飞行长度分布、均方位移和长时间扩散率。如果颗粒大于网格，则它在短时间内捕获聚合物网络的集体粘弹性动力学，并且在长时间内捕获整个系统的简单扩散。最后，我们讨论的标度行为的长期扩散与Pe，在那里我们找到一个范围的Pe，产生一个非平凡的幂律。后者原来是从一个大的波动的捕获，激活示踪剂与响应聚合物网络共轭。
2022-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Programming Boundary Deformation Patterns in Active Networks
活性材料利用其内部的能量来源以自动化的方式自组织。这一特点提供了一个新的机会，设计微米级的机器与最低限度的控制要求。然而，自组织与预先确定的动态密切相关，这些动态几乎不受环境扰动的影响。因此，利用主动系统的这一特征需要利用和指导宏观动力学来实现特定的功能;这反过来又需要理解主动力的潜在机制。在这里，我们设计了一个光学控制协议，工程师的微管和光激活马达蛋白组成的主动网络的动态。该协议能够雕刻不同形状的激活网络，并将它们与嵌入解决方案隔离开来。通过研究大量的形状，我们观察到活跃的网络以一种保持形状的方式收缩，这种收缩在收缩过程中持续存在。我们制定了一个粗粒度的理论，并证明了自相似的收缩与粘性的主动应力。这些发现帮助我们通过操纵空间和时间中的光强度来编程网络的动态，并操纵网络向特定方向弯曲，以及在时间上交替方向。我们的工作提高了对收缩网络中的主动动力学的理解，并为工程化一大类活性材料的动力学铺平了新的道路。
2021-01-21 cond-mat.soft
