The Micromechanics of Three Dimensional Collagen-I Gels
我们研究胶原-I凝胶的微观力学，目的是弥合生物聚合物网络研究中理论和实验之间的差距。通过共聚焦显微镜获得荧光标记的胶原蛋白的三维图像，并使用3d网络卷积算法提取网络几何形状。每个纤维被建模为蠕虫状链，抵抗拉伸和弯曲，每个交联被建模为扭转弹簧。在三个不同的密度的网络的应力-应变曲线进行比较，流变测量。该模型显示出良好的协议与实验，确认应变硬化的胶原蛋白可以完全解释的几何重新排列的网络，而不是熵硬化的个别纤维。该模型还表明，在小应变，交联变形是网络刚度的主要贡献者，而在大应变，纤维拉伸占主导地位。由于这种建模工作使用具有真实几何形状的网络，因此这种分析最终可以作为理解纤维和交联在微观水平上的力学如何产生网络的宏观特性的工具。虽然本文的重点是胶原蛋白的力学，我们展示了一个框架，可以应用于许多生物聚合物网络。
2008-08-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Hierarchical organization governs nonlinear mechanical reversibility in $ι$-carrageenan gels
Univ Lyon, Ens de Lyon, CNRS, Laboratoire de Physique（里昂大学、里昂高等师范学校、法国国家科学研究中心、物理实验室）
本研究结合流变学与法向力测量，揭示ι-角叉菜胶凝胶的非线性力学由分子连通性及可逆分层结构的形成与破坏调控，发现其存在部分力学可逆性。
2026-08-31 cond-mat.soft
Thermodynamics of microphase separation in a swollen, strain-stiffening polymer network
本文扩展Flory-Huggins理论，纳入应变硬化效应，提出无拟合参数模型以定量预测溶胀聚合物网络的EMPS相图并解释微结构形貌。
2025-06-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Filled Colloidal Gel Rheology: Strengthening, Stiffening, and Tunability
本研究通过实验与模拟揭示了固体填充物对胶体凝胶流变特性的影响机制，发现填充单调增强屈服应力但弹性模量先增后降，并提出“填充物移除方案”实现对凝胶强度与脆性的单独调控。
2024-04-28 cond-mat.soft
Adaptive hydrogels with spatiotemporal stiffening using pH-modulating enzymes
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
研究通过pH调节酶驱动的水凝胶实现自适应机械响应，揭示化学波与机械波的耦合机制，展示材料在局部刺激下的自适应刚性增强。
2026-03-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
Local Strain-Dependent Anisotropy in Fibrous Networks
Tel Aviv University（特拉维夫大学）
本研究结合光镊实验与三维有限元模型，揭示拉伸纤维凝胶中局部刚度各向异性受纤维厚度和网络连通性调控，并指出局部微观力学响应异于整体硬化行为。
2026-09-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Non-local fluctuation correlations in active gels
许多活性物质和生物系统被嵌入的试剂驱动远离平衡，这些试剂自发地产生力并扭曲周围的材料。探测和表征这些非热涨落对于理解此类系统的性质和行为至关重要。在这里，我们提出了一个数学程序来估计力产生剂的局部行动所观察到的波动位移场。活性剂被建模为定向力偶极或各向同性压缩焦点，并且它们所作用的基质被假定为可压缩弹性连续体或耦合网络-溶剂系统。在一个单一的点和点之间的任意距离分离得到的相关性，给出了三个独立的波动模式，可以测试与微观流变学实验。由于定向偶极子和各向同性压缩焦点给这些波动模式不同的贡献，比率分析使我们能够表征力发生器。我们还预测和实验发现一个高频率的弹道制度，所产生的个别力产生的事件的形式缓慢建立的应力，然后快速但有限的衰减。最后，我们提供了一个定量的统计模型来估计平均丝张力从这些非热的波动，这导致主动网络的硬化。
2010-03-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A large deformation model for quasi-static to high strain rate response of a rate-stiffening soft polymer
针对聚硼硅氧烷（PBS）大应变响应缺乏宽应变率本构模型的问题，提出基于微观物理的动态交联本构模型，通过实验验证其在六个数量级应变率下的预测准确性，可推广至同类软聚合物。
2023-07-18 cond-mat.soft
Nonlinear Elasticity in Biological Gels
与大多数合成材料不同，生物材料在变形时通常会变形。这种非线性弹性反应，对某些组织的生理功能至关重要，至少从19世纪开始就有文献记载，但其分子结构和设计原理尚不清楚。目前这种反应的模型需要每种材料特有的几何复杂的有序结构。在这篇文章中，我们表明，一个简单得多的分子理论占应变硬化在广泛的分子不同的生物聚合物凝胶从纯化的细胞骨架和细胞外蛋白质形成。这一理论表明，半柔性链系统，如丝状蛋白质排列在一个开放的交联网络总是在低应变，而不需要一个特定的架构或具有不同的内在刚度的多个元素。
2004-06-01 cond-mat.soft q-bio.SC
Multi-scale strain-stiffening of semiflexible bundle networks
成束的聚合物细丝负责许多生物材料，包括细胞和细胞外基质的丰富和独特的力学行为。在纤维蛋白生物聚合物中，其非线性弹性特性对于正常血液凝固至关重要，原纤维自组装并成束以形成半柔性纤维网络。在这里，我们表明纤维蛋白网络的非凡应变硬化反应直接反映了纤维蛋白纤维的分层结构。我们测量的未捆绑的原纤维网络的流变学，并找到良好的协议与仿射模型的可扩展蠕虫状聚合物。通过与这些数据的直接比较，我们表明，由粗纤维组成的生理纤维蛋白网络可以建模为紧密的原纤维束网络。我们证明，在纤维中的原纤维之间的耦合的紧密性可以通过凝血因子XIII的酶促分子间交联的程度来调节。此外，在高应力下，原纤维独立地贡献于网络弹性，这可能反映了紧密束结构的解耦。因此，纤维蛋白纤维的分层结构可以解释血凝块的非线性和巨大的弹性恢复特性。
2015-09-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Asymmetry of tensile vs. compressive elasticity and permeability contributes to the regulation of exchanges in collagen gels
本研究测量胶原蛋白凝胶在拉伸与压缩下的弹性与渗透率不对称性，发现该特性调节分子交换并影响药物运输。
2022-12-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
On the relationship between the plateau modulus and the threshold frequency in peptide gels
凝胶中静态和动态粘弹性响应之间的关系可以非常清楚地说明，并可能提供有用的工具，以研究生物材料，如蛋白质水凝胶的行为。一个重要的例子来自半固体凝胶状材料的粘弹性，其特征在于两个区域：低频区域，其中储能模量$G^{\prime}(ω)$显示恒定值$G_{\text{eq}}$，以及高频幂律硬化区域，其中$G^{\prime}(ω) \sim ω^{n}$。最近，通过考虑蒙特卡罗模拟来研究肽网络的形成，我们发现平台模量和阈值频率之间存在有趣的且有点相关的幂律关系，即$G_{\text{eq}} \sim ( ω^{*} )^Δ$与$Δ= 2/3$。在这里，我们提出了一个简单的理论方法来描述这种关系，并测试其有效性，通过使用实验数据从$β$ -乳球蛋白凝胶。我们表明，即使在分形模型失败的粗化区域中，我们的方法也可以使用。值得注意的是，发现非常相同的指数$Δ$来描述实验数据。
2017-11-07 cond-mat.soft
Adhesion and non-linear rheology of adhesives with supramolecular crosslinking points
软质超分子材料是设计创新和高度可调粘合剂的希望所在。这些材料由通过强相互作用部分官能化的聚合物链组成，所述部分有时被称为“粘着剂”。为了系统地研究缔合基团的存在对超分子胶粘剂脱粘性能的影响，一系列的超分子模型系统已被表征的探针粘性测试。这些模型材料，由线性和低分散性的聚（丙烯酸丁酯）链官能化的中间由一个单一的三脲贴纸，能够自关联的六个氢键和范围内的分子量（Mn）在5和85公斤/摩尔之间。相同材料的线性流变学和纳米结构（称为“PnBA 3U”）是先前研究的对象1，2。在室温下，聚合物通过氢键缔合形成棒状聚集体，当\textless{}为40 kg/mol时，聚集体呈束状，表现出软弹性材料的性质（G' \textgreater{}、\textgreater{} G“和G'~ $ω$ 0）。对于更高的Mn，长丝随机取向和聚合物显示出交叉向粘性行为，虽然终端松弛没有达到实验频率窗口。然而，所有这些材料显示出相似的粘合性能，其特征在于内聚失效模式和低脱粘能（对于100 $μ$ m/s的脱粘速度，W adh \textless{} 40 J/m 2）。在粘附力测试过程中观察到的剥离机制已经详细研究了我们的第3组开发的图像工具分析。在剥离过程中，由在粘合剂层中生长的空腔覆盖的投影面积的测量可用于估计空腔壁中的真实应力，从而表征在粘合力测试本身期间薄层的原位大应变变形。该分析特别揭示了Mn \te…
2016-12-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Strain induced strengthening of soft thermoplastic polyurethanes under cyclic deformation
我们研究了三种不同的商业热塑性聚氨酯弹性体（TPU）在单轴拉伸下的循环力学行为，这些弹性体通常被认为是普通填充弹性体的可持续替代品。所有TPU具有相似的硬段含量和线性模量，但如X射线分析所示，大应变性能明显不同。尽管存在这些差异，但我们发现在逐步循环加载中调节后的硬化效应与化学交联填充橡胶中观察到的常见软化（也称为Mullins效应）有很大不同。我们提出，这种自增强与TPU中天然存在的硬域的碎片化有关，这些硬域在较小但数量更多的子单元中可能充当新的物理交联点。所提出的硬化机制与拉伸天然橡胶中观察到的应变诱导结晶没有什么不同，但它具有持久性。特别是，它可能会导致局部增强，其中存在不均匀的应变场，就像循环疲劳中裂纹扩展的情况一样，为TPU的众所周知的韧性和耐磨性提供了潜在的解释
2021-04-06 cond-mat.soft
Nonlinear contractile response of actomyosin active gels to control signals
本文通过重构肌动球蛋白活性凝胶实验，发现其对控制信号呈现非线性收缩响应，并建立传递函数与标度关系，揭示密度依赖机制，为理解细胞力学信号传导提供关键见解。
2025-02-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
