Elastic Properties and Line Tension of Self-Assembled Bilayer Membranes
采用自洽场论方法，以两亲性柔性链溶解在亲水性高分子溶剂中的模型体系为研究对象，研究了自组装双层膜的弹性性质.检查自由能的双层膜具有不同的几何形状，使我们能够计算它们的弯曲模量，高斯模量，两个四阶膜模量，和线张力。系统地研究了这些参数对两亲性链的微观特征的依赖性，其特征在于亲水组分的体积分数。从一个简单的单层模型，它近似由两个单层的双层膜的结果与理论预测进行了比较。最后，通过检验高阶贡献，分析了线弹性理论的有效区域。
2013-07-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cellular wrapping of elastic particles by a supported lipid membrane
Université Paris Cité, CNRS, Institut Jacques Monod（巴黎西岱大学，法国国家科学研究中心，雅克·莫诺研究所）；Institut Curie, Université PSL, Sorbonne Université, CNRS UMR168（居里研究所，巴黎文理研究大学，索邦大学，法国国家科学研究中心联合研究实验室）；Department of Physics, Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS)（基础科学研究高级学院物理系）；Department of Physics and Astronomy, University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学物理与天文学系）
研究揭示了弹性粒子被细胞膜包裹过程中，颗粒柔性和膜-颗粒粘附力对包裹过程的影响，以及刚性对膜突起形成的作用，揭示了吞噬过程中的选择性行为。
2026-01-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Internal sites of actuation and activation in thin elastic films and membranes of finite thickness
本文理论分析了有限厚度弹性薄膜与膜内部力或应力位点的几何特征，推导了三维局部奇点基本解，揭示完全独立薄膜解发散机制及表面无滑移支撑的稳定作用。
2024-04-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Actin filaments growing against an elastic membrane: Effect of membrane tension
我们研究了一组平行的肌动蛋白丝对弹性膜生长的力产生。弹性膜试图保持平坦，并且由热波动或由于长丝施加的膨胀聚合力引起的从该平坦状态的任何变形都消耗能量。我们研究了两个格子模型来描述膜动力学。在一种情况下，假设能量成本与高度梯度的绝对大小成比例（梯度模型），而在另一种情况下，能量成本与高度梯度的平方成比例（高斯模型）。对于梯度模型，我们发现膜速度是弹性常数$μ$的非单调函数，并在$μ=μ^\ast$处达到峰值。对于$μ< μ^\ast$，系统不能达到稳定状态，并且膜能量随时间持续增加。对于高斯模型，该系统总是达到一个稳定的状态和膜速度单调递减的弹性常数$ν$的所有非零值的$ν$。多个细丝在膜的不同区域处产生突起，并且膜的弹性在高斯模型中引起两个突起之间的有效吸引，这导致突起合并并且在系统中存在单个宽突起。在这两种模型中，膜动力学和纤维动力学之间的相对时间尺度在决定弹性-速度曲线的形状是凹的还是凸的方面起着重要的作用。我们的数值模拟与我们的分析计算相当吻合。
2018-03-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Elasticity and mechanical instability of charged lipid bilayers in ionic solutions
我们使用粗粒度的蒙特卡罗模拟来研究一价和五价反离子溶液中带电膜的弹性性质。两种情况下的仿真结果显示出相反的趋势。抗弯刚度和投影面积的增加与膜电荷密度为单价抗衡离子，而五价离子的减少。这些观察结果可能与脂质电荷的计数器筛选有关。而单价抗衡离子仅弱屏蔽库仑相互作用，这意味着排斥库仑系统，多价抗衡离子凝聚在膜上，并通过空间电荷相关性，使有效的相互作用，由于带电的脂质吸引。在一价和多价反溶液中的带电膜的弹性性质的差异反映在导致它们在高电荷密度下的机械不稳定性的机制中。在前一种情况下，膜开发孔，以减轻静电拉伸应力，而在后一种情况下，膜表现出大的波长弯曲不稳定性。
2014-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Absolute vs Convective Instabilities and Front Propagation in Lipid Membrane Tubes
我们分析了生物膜管的稳定性，有和没有一个基本的流动脂质。膜动力学完全由两个无量纲数来描述：众所周知的Föppl-von Kármán数$Γ$和最近引入的Scriven-Love数$SL$，分别量化了基础张力和基础流速。对于不稳定管，局部扰动的增长率仅取决于$Γ$，而$SL$控制不稳定性的绝对或对流性质。此外，不稳定管的非线性模拟揭示了一个最初的本地化扰动的结果在传播前，留下一个薄萎缩管在其尾迹。根据$Γ$的值，细管通过振荡或单调的形状过渡连接到未受干扰的区域--这让人想起最近关于轴突收缩和萎缩的实验观察。我们阐明了我们的研究结果，通过弱非线性分析，这表明膜动力学可以近似的扩展Fisher-Kolmogorov方程类的模型。我们的研究揭示了轴突形状的模式选择机制，通过识别存在两个Lifshitz点，在该点前动态进行稳定振荡分叉。
2022-02-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Membrane-Mediated Interactions Between Nonspherical Elastic Particles
本文研究非球形弹性囊泡穿过脂质双分子层膜的包裹行为，利用Helfrich哈密顿量等理论方法预测了颗粒柔软度对包裹状态稳定性的影响，以及自由膜介导的颗粒间吸引或排斥相互作用，为靶向药物递送等医疗应用提供指导。
2022-11-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Surfing its own wave: hydroelasticity of a particle near a membrane
我们使用理论和实验表明，一个小颗粒沿着弹性膜通过粘性流体被排斥的膜由于水弹性力。粘性应力场产生弹性扰动，导致粒子-波耦合。我们推导出一个解析表达式的颗粒轨迹的润滑极限，绕过建设的详细速度和压力场。法向力与平行速度成二次关系，是薄膜抗拉和抗弯能力的函数。在实验上，我们测量了沿弹性膜沉降的球体的法向位移，并发现与理论预测定量一致，没有拟合参数。我们的实验表明，效果是足够强大的颗粒分离和分选。我们讨论了这些结果的生物膜的意义，并提出了我们的膜弹性测量模型。
2018-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Transport Phenomena in Fluid Films with Curvature Elasticity
细胞膜是含有多种蛋白质的弹性脂质双层，包括离子通道、受体和支架蛋白。已知这些蛋白质在膜平面中扩散并影响膜的弯曲。实验表明，膜平面中的脂质流动与蛋白质的扩散密切相关。因此，需要有一个综合框架，说明这些进程之间的相互作用。在这里，我们提出了一个理论的耦合平面内的粘性流动的脂质，跨膜蛋白质的扩散，和弹性形变的脂质双层。对膜中的蛋白质进行建模，使得它们通过诱导自发弯曲来影响膜弯曲。我们制定的自由能的膜与Helfrich的曲率弹性能量密度函数修改，以占蛋白质的化学势能。我们推导出该系统的守恒定律和运动方程。最后，我们提出的结果，从量纲分析和数值模拟，并证明了耦合运输过程中的膜弯曲和蛋白质扩散的动力学的影响。
2020-06-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Axisymmetric flow due to a Stokeslet near a finite-sized elastic membrane
弹性约束在许多软物质体系中起着重要作用，并影响着粘性流中悬浮颗粒的输运特性。基于低雷诺数流体动力学理论，本文提出了一种有限尺寸圆形弹性膜轴对称流动的解析理论，该流动是由沿对称轴指向的点力奇异性（Stokeslet）引起的。粘性不可压缩流的解决方案制定的膜周围的混合边值问题，然后将其减少到一个系统的对偶积分方程的区域边界的内侧和外侧。我们表明，弹性流体动力学问题的解决方案，可以方便地表示为一组非齐次Fredholm积分方程的第二类对数核。基于流体动力学流场，得到了垂直于圆膜作平移运动时流体动力学迁移率函数的半解析表达式。计算结果对颗粒半径与颗粒离膜距离之比的超前阶数是有效的。在准定常极限下，我们发现在有限尺寸的膜附近的粒子迁移率总是大于在相同尺寸的无滑移圆盘附近的粒子迁移率。我们进一步表明，弯曲相关的流体动力学流动性的贡献单调增加时，减少膜的大小，而剪切相关的贡献显示一个最小值时，颗粒膜的距离等于膜的半径。因此，取决于系统的几何和弹性性质，系统行为可以是剪切或弯曲主导的。我们的研究结果可能会发现在弹性细胞膜附近的纳米粒子为基础的传感和药物输送系统的领域中的应用。
2019-04-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Protein crowding on biomembranes: analysis of contour instabilities
蛋白质在生物膜上的集体行为通常在自发曲率模型下进行研究。在这里，我们考虑另一种现象学的方法，它始终占部分订购的蛋白质以及施加在膜上的锚定力层的蛋白质。我们分析表明，这种各向异性的相互作用可以驱动膜弯曲，导致非平凡的平衡形态。预测的不稳定性可以推进我们对生物系统中集体现象背后的物理机制的概念理解，特别是那些具有固有各向异性的生物系统。
2014-09-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Effective spring constants for the elastically coupled insertions in membranes
在线弹性理论中，由夹杂物（例如，脂质双层中的跨膜肽）可以严格地以耦合谐振子的形式存在。对于相当一般的边界条件，这里导出相应的“有效弹性常数“的一般表达式，例如，对于接触斜率的方位角变化。两个插入的情况下被认为是在更详细的。
2002-12-19 physics.bio-ph q-bio.BM
Protein-induced membrane curvature changes membrane tension
蛋白质吸附到膜上可以改变局部膜曲率。这种现象已经在生物过程中观察到，例如内吞作用、微管和囊泡形成。然而，目前尚不清楚膜的局部表面性质，如膜张力，如何响应蛋白质吸附而改变。在本文中，我们证明了脂膜的经典弹性模型无法解释由于局部区域蛋白质吸附而导致的形状和膜张力的同时变化，并且需要一个粘弹性公式来充分描述该系统。因此，我们开发了一个粘弹性模型的非均匀膜的Helfrich型。使用新的粘弹性模型，我们发现，脂质流动，以适应蛋白质吸附过程中膜曲率的变化。我们发现，在蛋白质吸附过程结束时，系统维持一个残余的局部张力，以平衡实际平均曲率和施加的自发曲率之间的差异。膜张力的这种变化可以在蛋白质与膜相互作用的许多生物现象中产生功能性影响。
2014-01-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Stability and equilibria of a compressible elastic membrane in Stokes flow
New Jersey Institute of Technology（新泽理工学院）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Purdue University（普渡大学）
研究可压缩脂质双层膜在斯托克斯流中的连续体模型，用磷脂密度守恒替代局部面积不可扩展性。推导二维圆形和三维球形膜的线性稳定性，揭示脂质密度等因素与形状不稳定性的关系。
2026-07-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Directional interactions and cooperativity between mechanosensitive membrane proteins
虽然现代结构生物学为我们提供了丰富多样的膜蛋白图片，膜蛋白的生物学功能往往是由周围的脂质双层的机械性能的影响。在这里，我们探索膜蛋白的形状和膜蛋白的弹性相互作用引起的膜蛋白的合作功能之间的关系。对于机械敏感离子通道的实验模型系统，我们发现，弹性相互作用的符号和强度取决于蛋白质的形状，产生不同的蛋白质取向不同的合作门控曲线。我们的方法预测了定向弹性相互作用如何影响拥挤膜中蛋白质的分子结构，组织和生物功能。
2013-05-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Modeling anisotropic elasticity of fluid membranes
分隔细胞及其细胞器的生物膜表现出各种各样的形态和拓扑学的宏观形状。系统地了解膜形状与成分、外场、环境条件等的关系具有重要的生物学意义。在这里，我们回顾三角形表面模型，用于宏观模拟膜和相关的蒙特卡罗（DTMC）方法。新的技术来计算表面量词，这将有助于研究额外的面内取向自由度，已被引入。在有序相中仅仅存在一个极性场和一个非极性场就可以使膜的基态构象分别变为圆柱体和四面体。
2011-09-22 physics.bio-ph
Brownian motion near an elastic cell membrane: A theoretical study
弹性约束是许多生物系统的重要组成部分，并决定了悬浮颗粒在流动条件下的输运特性。在这一章中，我们回顾了在活细胞附近运动的粒子的布朗运动，活细胞的膜被赋予对剪切和弯曲的阻力。通过计算与频率相关的迁移率函数和应用波动耗散定理进行分析计算。弹性界面赋予系统的记忆效应，导致一个长期的异常亚扩散附近的粒子制度。在稳定极限，扩散行为接近附近的无滑移硬壁。分析预测进行了验证，并补充边界积分模拟。
2017-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Large deformation electrohydrodynamics of an elastic capsule in DC electric field
研究了在均匀直流电场作用下，一个含有牛顿流体的球形弹性胶囊在一个弹性膜和另一个牛顿流体中的动力学行为。诸如内部和外部流体介质的电导率以及膜的电容和电导率的电特性的不连续性导致净界面麦克斯韦应力，其可以引起这种弹性胶囊的变形。我们调查这个问题，考虑良好的膜法律薄的弹性膜，充分解决流体力学的斯托克斯流量限制和描述的静电使用的电容器模型。在小变形的极限下，解析理论对动力学的预测相当令人满意。然而，在高毛细管数下的大变形需要数值方法（在本例中为边界元法）来解决这个高度非线性的问题。类似于囊泡，在中间时间，高度非线性的双凹形状以及正方形和六边形的形状时，观察到外部介质更导电。该研究确定的重要性，如高膜电容，低膜电导，低流体动力学时间尺度和高毛细管数观察这些形状转变的参数。过渡是由于大的压缩麦克斯韦应力在两极在中间时间。因此，这种形状转变可以在允许电容的球形小球中看到，可能与界面回复力的性质无关。
2017-08-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Comment on "Elastic Membrane Deformations Govern Interleaflet Coupling of Lipid-Ordered Domains"
代替摘要，第一段内容为：Galimzyanov等人[1]发现，通过不对称的“滑动区域”（长度$L\!\sim\!5\,\textrm{nm}$），稠液体有序（$L_{o}$）和稀液体无序（$L_{d}$）配准的脂质双层相之间的线张力最小化（图1）。他们声称，线张力单独解释域注册，没有“直接”（区域依赖）小叶间相互作用[2，3]。我们发现这是没有根据的，没有直接的相互作用，他们的结果将预测\textit{antiregistration}，依赖于组成。为了从线能量找到平衡，线\textit{tensions}必须与给定组成下给定状态的界面长度相结合。这在[1]中没有实现。
2016-04-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Additional contributions to elastic energy of lipid membranes: Tilt-curvature coupling and curvature gradient
脂质双层膜是由两个单分子层脂质组成的柔性薄横向流体膜。在比双层厚度大得多的空间尺度上，膜的弹性由其形状决定，并由经典的Helfrich哈密顿量充分描述。然而，各种局部膜不均匀性可导致脂质相对于膜表面法线倾斜。基于3D物体的经典弹性理论，Hamm和Kozlov [Eur. Phys.J.E3，323（2000）]导出了最一般的能量泛函，考虑了倾斜和弯曲。最近，Terzi和Barnno [J. Chem. Phys. 147，084702（2017）]表明，Hamm和Kozlov的推导是不完整的，因为倾斜-曲率耦合项被遗漏了。然而，由Terzi和Rumno导出的能量泛函似乎是不稳定的，因此对于应用是无效的。在这里，我们推导出一个稳定的弹性能量泛函，表明曲率的平方梯度在这两个作品中都错过了。能量泛函的这种变化是由于更精确地考虑了横向剪切变形项及其对膜稳定性的影响。我们还考虑了预应力项对能量泛函稳定性的影响，并且由于稳定性的要求，我们证明了有效高斯曲率应该被忽略。我们进一步推广的理论，包括拉伸-压缩变形模式，我们提供了几何解释的条款，以前错过了哈姆和科兹洛夫。新术语的物理后果进行了分析的情况下，膜介导的相互作用的两个两亲性肽位于同一单层。我们还提供了董事波动的表达式，比较它与Terzi和Alberno得到的。
2020-10-19 physics.bio-ph
Negative capacitance and related instabilities in theoretical models of the electric double layer and membrane capacitors
各种模型导致预测的负电容，C，简要回顾。讨论了它们与电气控制性质的关系。我们再次确认，计算的双电层电容可以是负的S-控制下-一个人工构造，需要均匀分布的电极表面电荷密度，S。结果表明，即使对于具有严格正扩散层电容的局部统计离子模型，离子和电子贡献的联合弛豫也可以导致C<0。然而，实际上，在隔离电池研究中，只有总电荷q（或平均表面电荷密度S）可以通过实验固定（q控制）。对于在S控制下C变为负值的那些S，向q控制的转变（即，放宽横向电荷密度分布，将其平均值固定到S）导致均匀分布的不稳定性和向非均匀相的转变。作为一个例子，“膜电容器”模型进行了讨论。这个完全可解的模型，允许均匀和不均匀的双电层松弛，有助于证明发病和一些重要的功能的不稳定性。进一步发展的前景进行了简要讨论。
2005-03-02 physics.bio-ph physics.chem-ph
Hydrodynamic coupling and rotational mobilities near planar elastic membranes
我们从理论上和数值上研究了球形颗粒之间的耦合和旋转流体动力学相互作用的平面弹性膜，表现出对剪切和弯曲阻力。使用的多极展开和Faxen的定理的组合，我们表示的频率依赖的流体动力学迁移率函数作为一个幂级数的粒子半径的比率从膜的自迁移率的距离，并作为一个幂级数的半径的比率粒子间的距离对迁移率。在准稳定的极限为零的频率，我们发现，剪切和弯曲相关的贡献的颗粒迁移率可能有添加剂或抑制效果取决于膜的性质，除了相互作用的粒子相对于限制膜的几何配置。为了阐明在粒子自身和对迁移率中观察到的符号变化的影响和作用，我们考虑一个例子，该例子涉及一个无扭矩的对弹性膜附近的反向旋转粒子。我们发现，诱导的旋转率的偶极子围绕其质心的大小和方向取决于膜的剪切和弯曲性能。在仅对剪切变形具有能量阻力的膜附近，例如在某种类型的弹性胶囊的膜附近，双合线经历与在无滑动壁附近观察到的相同方向的旋转。在一个仅能抵抗弯曲的膜附近，例如一个流体囊泡的膜附近，我们发现了一个反向的旋转方向。我们的分析预测的补充和完全解决边界积分模拟得到一个非常好的协议，在整个范围内的应用频率。
2018-06-01 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Elastic theory of low-dimensional continua and its applications in bio- and nano-structures
本文介绍了低维（一维和二维）连续体弹性理论及其在生物和纳米结构中的应用。首先，通过嘉当活动标架方法，简要介绍了作为低维连续统几何表示的曲线曲面理论。回顾了Kirchhoff杆、Helfrich杆、弯曲软化杆、流体膜和固体壳的弹性理论。其次，讨论了低维连续统弹性理论在生物结构（包括DNA短环、脂膜和细胞膜）中的应用和有效性。用基尔霍夫杆、赫尔弗里希杆和弯曲软化杆理论研究了DNA短环的扭结稳定性。脂膜符合流体膜理论。将细胞膜简化为脂双层和膜骨架的复合壳层，这与固体壳层有一点相似。研究发现，细胞膜骨架的存在大大提高了细胞膜的机械稳定性。第三，讨论了低维连续统弹性理论在纳米结构（包括石墨烯和碳纳米管）中的应用和有效性。在局域密度近似的基础上，提出了一种修正的Bisksky格子模型.它的连续形式直到曲率和应变的二阶项与二维固体壳的自由能相同。在此基础上，对碳纳米管的几种典型力学性质进行了研究。这是可能的，以避免引入有争议的概念，杨氏模量和厚度的石墨烯和单壁碳纳米管，与这种连续的形式。
2008-06-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft math-ph
A reciprocal theorem for the prediction of the normal force induced on a particle translating parallel to an elastic membrane
当一个弹性物体被拖动通过与刚性边界相切的粘性流体时，它会受到垂直于其运动方向的升力。当刚性对称物体平行于弹性界面或软基底平移时，会发生类似的提升机制。诱导升力归因于弹性流体动力学耦合，其产生于由平移物体或界面的弹性形变诱导的流动反向对称性的破坏。在这里，我们推导出明确的解析表达式的准稳态升力施加在一个刚性的球形颗粒平移平行于一个有限大小的膜表现出对剪切和弯曲的阻力。我们的分析方法进行通过应用洛伦兹互易定理，以便获得的流动问题的解决方案，使用微扰技术的膜的小变形。我们发现，与剪切相关的贡献的法向力导致粒子和膜之间的吸引力的相互作用。这种新出现的吸引力随着系统尺寸的平方减小，最终在无限延伸的膜的极限中消失。相比之下，膜弯曲导致排斥相互作用，其效果变得更加明显后，增加系统的大小，其中的升力被发现发散为一个无限大的膜几何。弯曲引起的升力的非物理发散可以通过用截止长度正则化解而呈现为有限的，超过该截止长度，弯曲力变得小于外部体积力。
2018-04-19 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic mobility of a solid particle nearby a spherical elastic membrane. II. Asymmetric motion
在本文中，我们推导出解析表达式的领先的顺序流体动力学流动性的一个小的固体颗粒进行运动切向附近的一个大的球形胶囊，其膜具有抗剪切和弯曲。结合第一部分（Daddi-Moussa-Ider和Gekle，Phys. Rev. E { \bfseries 95}，013108（2017））中获得的结果，其中考虑了垂直于囊膜的轴对称运动，从而确定了一般迁移率问题的解。我们发现，剪切阻力引起的低频峰值的颗粒自迁移率，导致膜正常位移以相同的方式，虽然不太明显，已经观察到的轴对称运动。在零频率限制，自迁移率校正附近的硬球恢复，只有当膜有一个非零的剪切阻力。我们进一步计算附近扩散粒子的粒子面内均方位移，发现膜诱导一个持久的subdiffusive制度。考虑胶囊运动，我们发现，对迁移率函数的校正是完全由膜剪切性能。我们的分析计算进行了比较，并与完全解决边界积分模拟得到一个非常好的协议进行验证。
2017-05-07 physics.bio-ph physics.flu-dyn
