Cell Division and Motility Enable Hexatic Order in Biological Tissues
本文利用自驱动 Voronoi 模型研究细胞分裂与凋亡对组织六角相序的影响，发现细胞分裂与运动性的竞争可驱动液态-六角相-液态转变，并通过平均场模型阐明其机制。
2023-11-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Jamming and arrest of cell motion in biological tissues
集体细胞运动是至关重要的许多生物过程，包括形态发生，伤口愈合和癌症侵袭。最近，生物学和生物物理学社区已经开始使用术语细胞干扰来描述组织中细胞运动的集体停滞。虽然这一术语被广泛使用，但其基本机制各不相同。在这篇综述中，我们强调了三个独立的机制，可以潜在地驱动逮捕的细胞运动-拥挤，张力驱动的刚性，并减少波动-并提出了一个推测性的相图，其中包括所有三个。由于多个机制可能同时运行，这强调了实验应该努力确定在给定情况下哪个机制占主导地位。我们还讨论了特定的细胞尺度和分子尺度的生物过程，如细胞-细胞和细胞-基质相互作用，控制这些潜在的物理机制方面。
2021-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Excitable dynamics driven by mechanical feedback in biological tissues
本研究提出理论框架，揭示单细胞层面拉伸激活收缩、活性元件周转失活的机械反馈可解释组织的多种活动模式，且模式转变由细胞力学响应时间尺度与组织几何无序的竞争驱动，阐明了细胞堆积几何对组织兴奋性的关键作用。
2023-10-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
No unjamming transition in a marginal vertex model of biological tissue
顶点模型是一种常用的建模致密生物组织的力学和动力学特性的方法，将组织描述为代表细胞的连接多边形的网络。最近，一类二维顶点模型显示出无序的刚性过渡控制的首选细胞的几何形状，呼应的实验结果。这些模型的一个有吸引力的变体使用Voronoi镶嵌来描述细胞，并赋予它们细胞运动的非平衡模型，从而导致丰富的玻璃状行为。这种玻璃状的行为被认为与潜在的干扰过渡有着千丝万缕的联系。我们测试这一猜想，探索低有效温度限制的Voronoi模型，通过研究细胞轨迹从详细的动力学模拟结合刚性测量的能量最小化无序细胞配置。我们发现该模型的零温极限没有无干扰跃迁。
2017-08-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Rigidity of Epithelial Tissues as a Double Optimization Problem
该研究将上皮组织刚性调控建模为双重优化问题，证明仅调节细胞刚度不影响刚性转变，而调节目标形状或面积可通过空间相关性改变刚性转变，揭示组织通过协调细胞尺度可调自由度实现组织尺度行为。
2025-06-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Fluid-Solid Pattern Formation and Strain Localisation via Shear Banding Instability in Model Biological Tissues
Durham University（杜伦大学）
研究通过剪切带不稳定性在生物组织中实现流-固模式形成与应变局部化，揭示不同组织中应变带性质的差异。
2026-03-09 cond-mat.soft
Alignment interactions drive structural transitions in biological tissues
实验证据表明，细胞形状和细胞运动之间存在反馈。这种反馈如何影响致密细胞单层的集体行为仍然是一个悬而未决的问题。我们调查的反馈，往往对齐细胞爬行方向与细胞伸长的生物组织模型中的效果。我们发现，对齐相互作用促进在流体相，最终经历一个非平衡相变成一个准六方固体的双折射模式。同时，高度不对称的细胞不经历液体到固体的转变为任何值的排列耦合。在这个制度下，细胞中心和形状波动的动态显示典型的玻璃态系统的功能。
2021-09-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Nonlinear analysis of the fluid-solid transition in a model for ordered biological tissues
生物组织的流变性对其功能非常重要，我们希望更好地了解单细胞如何控制组织流动性等整体组织特性。当细胞通过执行一系列细胞重排或T1转变而扩散时，融合组织可以被破坏。在无序的2D顶点模型中，当目标形状指数接近临界值（$s^*_{0} \sim 3.81$）时，当T1能量势垒消失时，组织流体化，并且描述线性响应的剪切模量也在该相同的临界点处消失。然而，2D顶点模型的有序基态在目标形状指数（3.72）的较低值处变得线性不稳定[1，2]。我们调查的二维顶点模型的基态是否是流体状或固体状之间的3.72和3.81 $-$这些系统的“状态方程”有两个分支，像玻璃状颗粒物质，或只有一个？利用四胞和多胞的数值模拟，我们证明了对于六角基态，T1能垒只在$\sim 3.81$处消失，表明有序系统和无序系统具有相同的临界点.我们还开发了一个简单的几何参数，正确地预测如何在有序系统的$s^*_{0}$的非线性稳定消失。
2019-05-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Multicyclic modelling of softening in biological tissue
在本文中，我们推导出一个模型来描述与循环软化，通常被称为应力软化，生物软组织的重要非弹性特征。这里开发的模型包括多个应力-应变循环的概念，最大应变值的增加。该模型利用了与碳填充橡胶硫化橡胶和软生物组织相关的循环软化之间的相似性。给出了非线性横观各向同性弹性响应模型、应力松弛模型、残余应变模型和残余应变蠕变模型。这些想法，然后结合横向各向同性版本的阿鲁达-博伊斯八链模型开发的本构关系，能够准确地表示软生物组织的多循环软化。为了建立该模型的有效性，我们比较了它与实验数据从三个周期性单轴测试样品，一个取自\textit{Manduca sexta}（烟草天蛾）毛虫和其他两个样品取自人体主动脉，一个在纵向和其他在圆周方向。该模型被发现非常适合这些实验数据。{关键词：}马林斯效应，应力松弛，残余应变蠕变，生物组织，横观各向同性。{MSC型号：} 74 B20、74 D10、74 L15、92 C10
2020-05-18 cond-mat.soft
Constitutive model for the rheology of biological tissue
针对生物组织兼具固液转变与黏弹性的复杂流变行为，本文结合模拟和连续介质理论分析 vertex 模型，并提出耦合细胞形状与流动的本构模型。
2023-09-29 cond-mat.soft
Nonlinear Rheology in a Model Biological Tissue
机械信号在胚胎发育和癌症生长等生物过程中起着关键作用。一个突出的方式来探测组织的机械性能是研究他们的反应，外部施加的力量。使用基于粒子的模型，具有随机凋亡和环境依赖的分裂率，我们证明了从线性流动的剪切稀化制度的交叉，增加剪切速率。为了使这种非线性流动合理化，我们推导出一个理论上的平均场方案，该方案考虑了局部应力中机械噪声和有源噪声的相互作用。这些噪声分别由细胞基质对细胞重排的弹性响应和内部活动产生。
2017-04-17 cond-mat.other cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Anomalous glassy dynamics in simple models of dense biological tissue
为了理解生物组织中的玻璃态动力学机制，并阐明非生物材料中的玻璃态动力学机制，我们研究了二维类顶点模型的低温无序相。最近已经注意到，顶点模型在零温度极限下具有非常不寻常的行为，其刚性转变由残余应力控制，因此与颗粒系统相比表现出非常不同的缩放和现象学。在这里，我们调查的有限温度阶段的二维Voronoi和顶点模型，并表明，他们有非常不寻常的，亚Arrhenius标度的动态与温度。我们连接的异常玻璃态动力学与零温度固有状态的势能景观的功能。
2017-12-15 cond-mat.soft
Shape driven confluent rigidity transition in curved biological tissues
本文用球面上的二维顶点模型研究融合组织单层，揭示细胞形状指数驱动的刚性转变临界点依赖曲率，并给出可检验的曲率–形状指数相图。
2022-10-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Model-free approach to the interpretation of restricted and anisotropic self-diffusion in magnetic resonance of biological tissues
磁共振成像（MRI）是通过其对水的时间/频率依赖性（“受限”）和各向异性自扩散的影响来对生物组织中的微米级结构进行非侵入性研究的首选方法。传统的MRI依赖于脉冲磁场梯度来对信号进行编码，该信号具有关于梯度方向上的平移运动的信息，其将根本上不同的方面（例如体扩散率、限制、各向异性和流动）卷积成单个有效的观察结果，该观察结果缺乏特异性以区分生物学上合理的微观结构场景。为了克服这一局限性，我们引入了一个正式的类比之间的测量旋转关联函数和相互作用张量各向异性的核磁共振（NMR）光谱和研究平移运动的MRI，我们利用转换的数据采集和分析策略从旋转动力学的NMR在大分子的MRI在生物组织中的扩散，从而产生以前所未有的特异性报告相关微观结构特性的模型独立的定量度量。我们的无模型方法推进了微结构MRI的最新发展，从而使新的应用程序能够应用于肿瘤和健康大脑中普遍存在的复杂多组分组织。
2021-11-15 cond-mat.soft
Tunable glassy dynamics in models of dense cellular tissue
本文通过调节二维Voronoi模型的特征形状指数，揭示了致密细胞组织可在标准玻璃化行为与粘度不发散、动力学异质性被抑制的异常状态之间调谐，为设计具有预定玻璃化动力学的材料提供了新思路。
2024-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Multi-phase-field Models of Biological Tissues
本综述介绍了多相场模型在致密软多细胞系统中的应用，探讨其在理解活性物质非平衡物理学、细胞迁移及受限系统中的作用，并展望未来挑战。
2025-05-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Small-scale demixing in confluent biological tissues
由不同粘附力控制的表面张力可以驱动流体颗粒混合物分选到单独的区域中，即，分层在融合的生物组织中是否也会发生同样的现象？我们开始回答这个问题的上皮细胞单层的顶点模型和角质形成细胞单层的实验相结合的理论。顶点模型与粒子模型的不同之处在于，细胞之间的相互作用是基于形状的，而不是依赖于距离。我们调查是否在细胞的形状或大小的差异是足以驱动分层的双分散顶点模型流体混合物。令人惊讶的是，我们观察到这两种类型的双分散系统鲁棒混合大的长度尺度。另一方面，形状差异在几个细胞直径上产生轻微的分层，我们称之为微观分层的现象。这个结果可以通过检查邻居交换（T1跃迁）的差分能垒来理解。实验与混合物的野生型和E-钙粘蛋白缺乏角质形成细胞的基板上是一致的预测现象的微观分层，生物学可以利用创建微妙的图案。然而，大规模混合的稳健性表明，尽管细胞形状和大小存在一些差异，但祖细胞可以在整个发育组织中容易地混合，直到获得识别不同类型细胞的方法。
2020-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
PDE-constrained shape registration to characterize biological growth and morphogenesis from imaging data
我们提出了一个偏微分方程约束的形状配准算法，捕捉变形和生长的生物组织从成像数据。形状配准是通过空间变换函数评估几何形状对之间的最佳对准的过程。我们从我们以前报道的工作，它使用三维张量积B样条基函数插值三维空间。在这里，B样条控制点的移动，与描述组织形状的隐函数组成，产生总变形梯度场。然后将变形梯度分为生长和弹性贡献。生长张量捕获质量的增加，即生长，并且根据通常是弹性形变的函数的本构方程演化。仅由于变形的弹性分量而在材料中产生应力。通过最小化总能量泛函来获得配准的结果，该总能量泛函包括：反映形状之间的相似性的距离度量，以及考虑组织生长的总弹性能量。我们应用所提出的形状配准框架研究斑马鱼胚胎表皮过程和皮肤重建手术中的组织扩张。我们预计，我们的偏微分方程约束的形状配准方法将提高我们的生物和医学问题，其中组织经历极端变形随着时间的推移的理解。
2022-04-05 cond-mat.soft eess.IV physics.bio-ph
Topological transitions, turbulent-like motion and long-time-tails driven by cell division in biological tissues
活组织中的复杂时空流动模式，由主动力驱动，具有许多与惯性湍流相关的特征，即使雷诺数非常低。结合基于代理的模拟从二维上皮单层的实验数据的分析表明，细胞分裂和凋亡导致定向细胞运动数小时，导致在相邻细胞的快速拓扑结构的转变。这些转变反过来又产生长范围和长寿命的顺时针和逆时针涡，这引起了类似顺时针的流动。实验和模拟表明，在长波长的波矢量（$k$）依赖的能谱$E(k) \approx k^{-5/3}$，符合Kolmogorov标度在充分发展的惯性湍流。使用理论论证和模拟，我们表明，长寿命的旋涡导致长时间的尾巴的速度自关联函数，$C_v(t) \sim t^{-1/2}$，它具有相同的结构，在经典的二维流体，但具有不同的标度指数。
2022-11-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
The Remodeling of Fiber Distributions in Biological Tissues: Rotation without Rotation
Università Campus Bio-Medico di Roma（罗马生物医学大学）；ICRANet（国际相对论天体物理中心网络）；Università degli Studi “G. d’Annunzio” Chieti–Pescara（阿布鲁佐大学）
通过分析马尔萨斯增长动力学与线性力学重塑关系，揭示了广义双峰冯·米塞斯分布作为生命物质涌现态，并提出“无旋转的旋转”机制，定量解释了实验观察到的纤维取向分布。
2026-05-26 cond-mat.soft
Compression stiffening in biological tissues: on the possibility of classic elasticity origins
在最近的脑、肝和脂肪组织的流变学实验中，已经观察到压缩硬化或剪切模量随着压缩应变的增加而增加。在这里，我们扩展了已知类型的生物材料表现出这种现象，包括琼脂糖凝胶和果肉。此外，我们表明，两个不同的结果，从经典弹性理论可以解释线性压缩硬化现象。一个结果是由于巴伦和克莱因，在这里扩展到相关的几何和预应力;另一个是由于伯奇。对于不可压缩材料，两种理论都没有可调参数。哪一个适用于给定的情况是参考状态的问题，这表明参考状态是由材料在恒定轴向应变下承受扭转时产生或不产生轴向应力（超过施加的预应力）的趋势决定的。我们的实验和分析也加强了这样一种观念，即看似不同的动物和植物组织在某些条件下可能具有相似的机械行为。
2018-04-12 cond-mat.soft
Regulatory inhibition of biological tissue mineralization by calcium phosphate through post-nucleation shielding by Fetuin-A
在脊椎动物中，细胞外液中钙和磷酸根离子的可用性不足导致骨密度损失和神经元过度兴奋。为了解决这个问题，钙离子以高浓度存在于整个体液中-浓度超过饱和点。这种情况会导致相反的情况，即可能发生不必要的矿物沉积。值得注意的是，异位或异位沉积到软组织是罕见的，尽管热力学驱动因素。这一幸运的事实是由于体液中存在大量的自我调节蛋白。然而，许多重要的炎性疾病如动脉粥样硬化和骨关节炎与这种不希望的钙化有关。因此，重要的是要了解监管过程和它可能出错的条件。在这篇手稿中，我们适应平均场经典成核理论的情况下，表面屏蔽，以研究钙磷酸盐在生物组织中的沉降的调节，通过新生矿物颗粒的结合蛋白质的核后屏蔽机制。我们开发了一个数学描述这种现象，使用一个可数系统的双曲型偏微分方程。一个临界浓度的调节蛋白被确定为描述系统的物理参数的函数。
2016-05-23 cond-mat.soft math.AP physics.bio-ph
Role of cell deformability in the two-dimensional melting of biological tissues
包括生物细胞、星形聚合物、树枝状聚合物和微凝胶在内的各种聚合物颗粒的尺寸和形状取决于所施加的应力，因为颗粒非常软。在高密度悬浮液中，这些颗粒在相邻颗粒的作用下变形，这意味着颗粒间的相互作用变成了多体型。调查一个二维模型的细胞组织，其中的单个颗粒的剪切模量与细胞粘附强度，在这里，我们表明，颗粒的变形能力影响熔化的情况。当温度升高时，硬颗粒经历一级固/液转变，而软颗粒经历连续的固/六角转变，然后是不连续的六角/液体转变。在零温度下，由粘合强度的降低驱动的熔融转变通过两个连续的转变发生，如在Kosterlitz、Halperin、Nelson和Young方案中。因此，存在其中六角相在零温度下稳定的粘附强度值的范围，这表明上皮向间充质转化的中间相可以是六角型。
2018-04-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Discontinuous shear thickening in biological tissue rheology
本文利用二维融合组织的主动顶点模型，研究全局外部变形与细胞运动产生的局部主动应力之间的相互作用，揭示了组织在堵塞转变附近表现出屈服、剪切变稀、连续和非连续剪切增稠等流变现象，为理解体内非线性流变行为提供了理论框架。
2024-01-18 cond-mat.soft q-bio.TO
Cell-level modelling of homeostasis in confined epithelial monolayers
本研究利用顶点模型探究受限上皮组织稳态，发现细胞分裂与清除平衡维持动态稳态，明确调控有序生长的因素，揭示稳态机制并强调力学的重要性。
2025-01-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Brillouin-derived viscoelastic parameters of hydrogel tissue models
机械生物学中的许多问题迫切需要表征细胞和组织的纤维蛋白质的微观力学性质。布里渊光散射作为一种新的光学弹性成像技术被提出来满足这一需求，但布里渊光谱中包含的信息仍然是一个有争议的问题。在这里，我们调查这个问题，使用明胶作为一个模型系统，其中的宏观物理性质可以被操纵，以模仿所有相关的生物状态的物质，从液体到凝胶和玻璃相。我们证明，布里渊光谱是一个强大的工具，以揭示其生物功能的核心生物材料的弹性和粘性。
2019-12-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Fingering instabilities in tissue invasion: an active fluid model
转移性肿瘤通常通过形成从癌块出现的多细胞指状突起来侵入健康的邻近组织。为了理解这一现象背后的力学背景，我们在这里开发了一个自我推进的，不断生长的生物组织的极简流体模型。该理论只涉及四个力学参数，并在各种设置中保持分析跟踪。作为该模型的应用，我们研究了由我们的主动和膨胀流体制成的二维圆形液滴的演化，并嵌入被动的非生长组织中。该系统可用于模拟上皮层中癌的演变。我们发现，我们的描述可以解释的倾向，肿瘤组织的指法不稳定性，作为条件的积极牵引和生长动力学的幅度。我们还能够预测转移开始时的肿瘤大小，以及随后的侵袭性指的数量。我们的主动流体模型可能有助于描述更广泛的生物过程，包括伤口愈合和发育模式。
2018-09-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
First-principles calculations of Raman vibrational modes in the fingerprint region for connective tissue
振动光谱学已被广泛用于揭示生物系统的物理化学性质。由于其对监测实时“原位”变化的高灵敏度，拉曼光谱已被成功地采用，例如，在生物医学、代谢组学和生物医学工程方面。在这些情况下，拉曼光谱解释的基础是孤立的大分子组成振动分配。因此，探测特定部分/侧链之间的非谐相互作用或相互作用是一个挑战。我们提出了一个完整的振动模式计算结缔组织的指纹区域（$800-1800$ cm $^{-1}$）使用第一性原理密度泛函理论。我们的研究结果表明，重要的光谱特征相关的分子特征已被忽略在通常的组织光谱波段分配。特别是，我们发现，承压水的存在是主要负责所观察到的光谱复杂性。我们的计算占在这一地区的光谱特征的固有复杂性和有用的生物过程的光谱标记明确确定。
2018-01-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Machine learning topological defects in confluent tissues
本文提出一种卷积神经网络，用于检测和分类融合细胞层中的向列相拓扑缺陷，可直接处理实验图像并适配非杆状细胞，且以更少数据优于现有方法。
2023-03-20 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Theory and simulation for equilibrium glassy dynamics in cellular Potts model of confluent biological tissue
融合单层中的玻璃态动力学在形态发生、伤口愈合、支气管哮喘和许多其他方面是不可或缺的;因此，这样一个系统的详细理论框架是重要的。顶点模型（VM）模拟提供了至关重要的见解，这种系统的动力学，但他们的非平衡性质，使其难以理论发展。细胞Potts模型（CPM）的汇合单分子层提供了一个替代模型，这类系统具有明确的平衡极限。我们结合CPM的数值模拟和分析研究的基础上最成功的理论之一的平衡玻璃，随机的一阶转变理论，并制定了一个全面的理论框架的合流玻璃系统。我们发现，CPM内的玻璃态动力学是定性相似的VM。我们的研究阐明了几何约束的关键作用，在带来两个不同的制度的动态，作为目标周长$P_0$是不同的。这种不寻常的亚阿留申松弛是由这种系统中的周界约束所产生的独特的相互作用势引起的。在低$P_0$区，系统的脆弱性随$P_0$的增加而降低，而在另一区，系统的动力学与$P_0$无关.刚性过渡，在VM中发现，是不存在的CPM内，这种差异似乎来自前者的非平衡性质。我们表明，CPM捕获的基本现象的玻璃动力学在一个汇合的生物系统，通过比较我们的数值计算结果与现有的实验在不同的系统。
2021-05-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Micropipette aspiration method for characterizing biological materials with surface energy
许多生物软组织都具有相当大的表面应力，表面应力对生物软组织的生物物理功能起着重要的作用，但以往表征生物软组织力学性能的方法大多忽略了表面应力的影响。在这项工作中，我们研究了微管吸吮测量细胞和软组织的表面效应的力学性能。采用新胡克本构模型描述被测生物材料的超弹性，并通过有限元方法考虑表面效应。结果发现，当吸液管半径或抽吸长度与弹性毛细血管长度相当时，表面能可明显改变抽吸响应。一般情况下，抽吸长度和体积法向应力都随着表面能的增加而减小，因此忽略表面能将导致弹性模量的高估。通过量纲分析和数值模拟，我们提供了一个明确的施加压力和抽吸长度之间的关系。该方法可用于准确测定生物软组织和器官的力学性能，肿瘤和胚胎。
2018-01-11 cond-mat.soft
Quantifying the link between local structure and cellular rearrangements using information in models of biological tissues
机器学习技术已被用于量化无序玻璃形成材料中局部结构特征与局部动力学活性变化之间的关系。到目前为止，这些方法已被应用到一系列标准（Arrhenius和超级Arrhenius）的玻璃成型，其中的工作“软点”表明之间的连接的线性振动响应的配置和非线性变形的能量障碍。在这里，我们研究的Voronoi模型，其灵感来自致密的上皮细胞单层，并显示异常，亚Arrhenius缩放其动态弛豫时间随温度降低。尽管存在这些差异，我们发现重排的可能性可以在模型组织内变化几个数量级，并提取局部结构量，“柔软度”，准确地预测弛豫时间的温度依赖性。我们使用信息理论的措施来量化软度决定即将发生的拓扑重排的程度，我们发现，软度捕获几乎所有的重排，是从结构中获得的信息，并且该信息是大的模型的固相和状态变量变化到流体相迅速减少。
2021-01-05 cond-mat.soft
Post-buckling of fiber-reinforced soft tissues
本文基于有限弹性理论建立非线性增量方程，研究了受压薄膜粘附半空间的变形，发现纤维增强各向异性组织的表面起皱分岔类型取决于基体与薄膜模量比，为生物组织形态演化提供了见解。
2025-04-28 cond-mat.soft
Multicellular rosettes drive fluid-solid transition in epithelial tissues
融合生物组织的模型通常将由细胞形成的网络描述为三结点网络，类似于泡沫。然而，高阶顶点或多细胞突起在发育和体外\it过程中普遍存在，并且已被认为在形态发生、疾病和生理学的许多重要方面至关重要。在这项工作中，我们研究的影响，rophobia的力学融合组织。我们发现，在一个组织中的存在的roxylase可以大大影响其刚度。使用广义顶点模型和有效介质理论，我们发现一个流体到固体的转变驱动的玫瑰花结密度和细胞内的张力。这种转变表现出二阶相变的几个特征，如增长的相关长度和在临界点附近的普遍临界标度。此外，我们阐明了刚性过渡的性质，在致密的生物组织和其他细胞结构，使用广义麦克斯韦约束计数方法。这回答了一个长期存在的难题，即这些系统中固体的起源。
2019-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Soft yet sharp interfaces in a vertex model of confluent tissue
致密的生物组织如何在共存的细胞群之间保持清晰的边界？我们在细胞的简单顶点模型中探索这个问题，重点关注拓扑结构和组织表面张力的作用。我们发现，细胞独立调节粘附性和张力的能力，以及基于邻居的相互作用规则，使它们支持惊人的不寻常的接口。特别是，我们表明，机械和波动为基础的测量的有效表面张力的细胞聚集体产生不同的结果，导致机械软界面，但非常尖锐。
2017-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Evaluation of image registration for measuring deformation fields in soft tissue mechanics
高保真生物力学模型通常涉及使用基于光学测量的实验方法对生物组织进行力学表征。在大多数实验中，应变是基于几个标记的位移进行评估的，并代表感兴趣区域（ROI）内的平均值。全视野测量可以改善非均匀材料（如软组织）的描述。提出了一种基于非刚性图像配准的方法，并在一组样本上与标准数字图像相关（DIC）进行了比较，这些样本包括（i）具有亚像素位移的复杂非均匀变形，（ii）典型的主动脉单轴拉伸试验，（iii）皮肤压痕试验。将ROI扩展到整个样本和利用自然组织图案的可能性代表了所提出的方法的主要资产，而结果显示出与标准DIC在分析亚像素变形时相似的精度。因此，基于图像配准的位移场和应变场测量方法对于表征具有不规则形状和/或小尺寸的非均匀样品是非常有前途的，这些样品是软生物组织的典型特征。
2023-01-09 cond-mat.soft eess.IV
Generic growth instabilities in one-layered tissue sheets
在一个随机的，无格子的单细胞模型，它认为是离散的细胞结构的组织，和一个粗粒度的分析方法，在一层模型组织片的生长和折叠进行了研究。通过弯曲项来考虑组织片的极性。细胞分裂产生局部增加的度量。一个指数和幂律增长制度确定。在这两种机制中，一旦弯曲贡献变得太小而不能补偿细胞增殖的不稳定效应，就会发生折叠。讨论了潜在的生物学相关性。
1999-07-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Cell growth, division and death in cohesive tissues: a thermodynamic approach
细胞生长、分裂和死亡是生物组织的定义特征，有助于形态发生。在粘性组织的流体动力学描述中，它们的出现意味着细胞密度的非零变化率。我们展示了线性非平衡热力学如何将此速率表示为相关热力学力的组合：化学势，速度发散和活性。我们说明了所产生的影响的非保守的细胞密度的简单的例子启发最近的实验细胞单层，首先考虑的速度的扩展前，和第二个不稳定导致机械波。
2017-07-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Controlled neighbor exchanges drive glassy behavior, intermittency and cell streaming in epithelial tissues
本研究在顶点模型中引入T1转变的时间约束，发现其消除运动驱动的玻璃态转变并产生快慢细胞流，预测与果蝇蛹发育实验相符。
2020-03-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft q-bio.CB
Structural hierarchy confers error tolerance in biological tissues
结构层次，其中材料在多个长度尺度上具有不同的特征，在自然界中无处不在;不同的生物材料，如骨骼，纤维素和肌肉，有多达十个层次。结构层次赋予许多机械优势，包括改进的韧性和材料的经济性。然而，它也提出了一个问题：每个层次增加了一个新的装配错误源，并大大增加了正确装配所需的信息。这似乎与自然发生的等级结构的流行相冲突，这表明可能存在等级鲁棒性的共同机械来源。然而，我们的能力，以确定这样一个统一的现象是有限的，缺乏一个一般的机械框架的结构展示组织在不同的长度尺度。在这里，我们使用模拟来证实一个广义模型的层次，拉伸稳定，丝状网络的拉伸刚度与嵌套，稀释三角形晶格结构。在麦克斯韦和其他人关于刚性框架标准的开创性工作之后，我们扩展了网络力学中的连通性概念，并发现了材料刚度在每个层次上的数学相似依赖性。使用这个模型，我们发现，这样的网络的刚度变得不那么敏感的错误与额外的层次结构的装配，虽然令人惊讶的是，我们表明，这一结果是分析预测的第一原则，因此可能独立于模型。更广泛地说，这项工作有助于解释生物学和材料设计中分层丝状材料的成功，并提供了一种启发式方法，以确保在所需的公差范围内实现所需的材料特性。
2018-08-03 cond-mat.soft q-bio.TO
Universality of the angled shear wave identity in soft viscous solids
本文将斜剪切波恒等式方法从弹性固体推广到含粘性耗散的软粘弹性固体，考虑横向各向同性，推导色散关系，并证明预测粘性材料应力需同时测量波速与波衰减。
2024-02-26 cond-mat.soft
Differences in boundary behavior in the 3D vertex and Voronoi models
本研究比较三维顶点模型与Voronoi模型在双细胞类型混合物中的几何结构和动态分选，发现二者边界处细胞中心与取向配准显著不同，并指出顶点模型更适合异型接触组织模拟。
2023-06-06 cond-mat.soft q-bio.TO
Morphogenesis driven by nematic defects in active biological networks
Università degli Studi di Padova（帕多瓦大学）；Istituto Nazionale di Alta Matematica “Francesco Severi”（弗朗切斯科·塞韦里高等数学国立研究所）；Cardiff University（卡迪夫大学）
本文通过连续介质框架，将活组织建模为具有异质生长和重塑能力的向列聚合物网络，揭示了向列缺陷拓扑控制应力局域化和形状演化，其中+1缺陷驱动突起形成，-1/2缺陷作为结构稳定剂。
2026-06-02 cond-mat.soft
Poisson-bracket formulation of the dynamics of fluids of deformable particles
利用泊松括号法，我们推导出二维可变形颗粒流体的连续方程。粒子形状是量化的两个连续场：各向异性密度场，捕获单个粒子的变形从规则的形状和形状张量密度场，量化粒子伸长和伸长形状的排列。我们明确考虑由顶点模型能量描述的致密生物组织的示例，其中细胞形状已被提议作为液固转变的结构序参量。这里提出的生物组织的流体动力学模型捕获细胞形状与流动的耦合，并为致密组织的流变学建模提供了一个起点。
2020-11-23 cond-mat.soft
Data-driven Modeling of the Mechanical Behavior of Anisotropic Soft Biological Tissue
描述软组织力学行为的本构模型在过去的几十年里取得了很大的进展。这些专家模型是可推广的，并且需要校准许多参数以拟合实验数据。然而，固有的陷阱，从一个特定的功能形式的限制，包括穷人适合的数据，非唯一性的拟合，和高敏感性的参数。在本研究中，我们设计并训练全连接神经网络作为材料模型，以取代或增强专家模型。为了保证客观性，神经网络将等容应变不变量作为输入，输出应变能值及其对不变量的导数。材料模型的凸性通过损失函数来实现。直接预测导数函数-而不仅仅是预测能量-有两个目的：它在训练过程中提供灵活性，并通过反向传播计算弹性张量。我们展示的能力的神经网络学习的力学行为的猪和小鼠皮肤双轴测试数据。至关重要的是，我们表明，一个多保真度的计划，结合高保真度的实验数据与低保真度的分析数据产生最佳的性能。神经网络材料模型可以被解释为专家模型的最佳扩展：它学习专家在分析模型中编码的特征，同时更好地拟合实验数据。最后，我们实现了一个通用的用户材料子程序（UMAT）的有限元软件Abaqus，从而使我们的进步提供给更广泛的计算社区。我们期望，在这项工作中产生的方法和软件将扩大使用数据驱动的本构模型在生物医学应用。
2021-07-08 cond-mat.soft cs.CE q-bio.QM
A geometrically controlled rigidity transition in a model for confluent 3D tissues
无序材料刚性的起源是统计物理中一个突出的开放性问题。以前，一类2D细胞模型已被证明经历由指定细胞形状的机械参数控制的刚性过渡。在这里，我们将这个模型推广到3D，并找到一个类似地由优选表面积控制的刚性过渡：该模型在无量纲表面积$s_0^\ast\approx5.413$以下是固体状，在该值以上是流体状。我们证明，不像在软球卡住，残余应力是必要的，以创建刚性。当细胞无法获得所需的几何形状时，这些应力正好发生，我们推测无序的细胞结构可能有一个明确的最小表面积。我们发现，这个最小的表面的行为诱导的线性缩放的剪切模量与控制参数在过渡点，这是不同的缩放颗粒物质中观察到的。这种最小表面的存在可能与生物组织和泡沫有关，并有助于解释为什么细胞形状是生物组织中刚性转变的良好结构序参量。
2017-10-22 cond-mat.soft q-bio.TO
