Emergence of Hexanematic Order in a Growing Confluent Cell Monolayer
Nanyang Technological University（南洋理工大学）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
研究上皮层集体迁移中细胞形态差异，开发随机粒子 - 沃罗诺伊框架捕捉六向列组织，揭示边界驱动运动产生速度梯度，结合相关规则致外周与主体细胞形态不同，展现非平衡机械相互作用引发自组织图案形成。
2026-07-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
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
Non-monotonic fluidization generated by fluctuating edge tensions in confluent tissues
在发育和稳态中，多细胞系统在其生化和机械特性方面表现出空间和时间的异质性。然而，目前还不清楚时空异质力如何影响融合组织的动力学和力学性能。为了解决这个问题，我们研究的动态行为的二维细胞顶点模型的上皮单层细胞的存在下，波动的细胞-细胞界面张力，这是一个生物相关的来源的机械时空异质性。特别地，我们研究了波动张力的幅度和持续时间对组织动力学的影响。我们意外地发现，描述细胞重排的长时间扩散常数非单调地依赖于持续时间，而它随着振幅的增加而单调增加。我们的分析表明，在低和中等持久时间的张力波动驱动运动的顶点，促进细胞重排，而在最高的持久时间的张力在网络中的演变如此缓慢，重排变得罕见。
2022-02-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Flocking Transition in Confluent Tissues
集体细胞迁移是重要的生物学过程的基础，如胚胎发育、伤口愈合和癌症侵袭。虽然单细胞运动的许多方面现在已经很好地建立起来，但导致粘性细胞群移位的机制仍然知之甚少。为了阐明机械敏感细胞集体迁移的出现，我们研究了融合组织的自推进Voronoi（SPV）模型，该模型具有方向反馈，该方向反馈将细胞的极化与其局部迁移速度对齐。虽然形状和运动性是已知的，以调节密度无关的液体-固体在组织中的过渡，我们发现，对齐的相互作用促进集体运动，促进凝固。我们的模型再现了在堵塞的上皮细胞单层中观察到的行为，这些上皮细胞单层通过加入内吞蛋白RAB 5A来解除堵塞，该内吞蛋白RAB 5A通过诱导大规模连贯的迁移模式和局部流化来促进细胞运动。
2017-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Cell Shape Emerges from Motion
Yale University（耶鲁大学）；University of Minnesota（明尼苏达大学）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Ben Gurion University of the Negev（内盖夫本古里安大学）；City College of New York（纽约市立学院）
针对上皮单层可移动汇合细胞，本文通过细胞分割发现其存在正偏宽形状参数分布，构建可变形粒子模型复现该分布，证明该分布由细胞运动产生且与初始形状无关。
2025-11-19 cond-mat.soft
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
The structure-dynamics feedback mechanism governs the glassy dynamics in epithelial monolayers
本研究通过模式耦合理论证明上皮单层玻璃态动力学由结构-动力学反馈机制主导，弛豫时间以3/2普适指数幂律发散，定量解释了亚阿伦尼乌斯弛豫现象。
2024-07-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Cell division and death inhibit glassy behaviour of confluent tissues
我们研究了二维上皮组织中细胞分裂和凋亡对集体动力学的影响。我们的模型包括在许多上皮细胞中观察到的三个关键成分，即细胞间粘附、细胞死亡和取决于周围环境的细胞分裂过程。我们显示了丰富的非平衡相图取决于细胞死亡细胞分裂的比例和粘附强度。对于大的凋亡率，细胞死亡和组织分解。然而，随着死亡率的降低，我们连续显示了气体样相、凝胶样相和致密融合（组织）相的存在。最引人注目的是观察到组织通过其自身的内部活动自熔化，排除了任何玻璃相的存在。
2017-04-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Interplay of curvature and rigidity in shape-based models of confluent tissue
融合细胞的简单模型中的刚性转变是理解致密生物组织的动力学和力学的一个强有力的组织原则。在这项工作中，我们探讨了几何形状和刚性之间的相互作用，在二维顶点模型局限于一个球体的表面。通过考虑由周长定义的细胞的形状，其大小取决于测地距离和由球形多边形确定的区域，在这种模型中的临界形状指数受细胞相对于其嵌入的球体的半径的大小的影响。这意味着细胞可以通过增加球体的大小，即通过调整其域的曲率来集体刚性化。低温研究表明，细胞运动受到影响，远离零温度转变点。
2020-06-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hydrodynamics and multiscale order in confluent epithelia
构建了汇合上皮组织的流体力学理论，揭示集体迁移上皮组织具有向列序与六重序的多尺度液晶结构，并用自驱动Voronoi模型和多相场模型验证了结构因子的双幂律标度，为理解细胞层多尺度序提供了理论框架。
2024-01-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Elastic Modulus Versus Cell Packing Density in MDCK Epithelial Monolayers
该研究通过微压痕系统在多细胞尺度表征MDCK上皮单层细胞，发现其弹性模量在低密度汇合时随细胞密度升高而降低，高密度下趋于平稳，为理解组织集体行为提供力学依据。
2024-12-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Spectral approaches to stress relaxation in epithelial monolayers
University of Manchester（曼彻斯特大学）
本文利用细胞顶点模型和奇异值分解，通过拉普拉斯算子特征模态研究上皮单层黏弹性松弛，揭示几何刚度是单层刚度的主要来源。
2024-03-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Spontaneous Hole Formation in Cell Monolayers Emerges from Collective Cell Motion
The Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, Clarendon Laboratory, Parks Road, Oxford, OX1 3PU, UK（鲁道夫·派尔斯理论物理中心，克拉伦登实验室）
本研究构建连续多相场模型探究细胞单层自发孔洞形成机制，发现低摩擦下拓扑缺陷产生的螺旋流集中应力可触发孔洞，其数量与稳定性取决于基底摩擦和细胞活性，揭示集体细胞动力学对组织完整性的关键作用。
2025-08-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cell sorting by active forces in a phase-field model of cell monolayers
该研究利用细胞单层相场模型，证明仅由伸展型与收缩型偶极活性差异引起的不同扩散率，即可驱动细胞分选并形成持续增大的斑块。
2024-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Intercellular Friction and Motility Drive Orientational Order in Cell Monolayers
本文通过多相场模型数值研究细胞单层中细胞间摩擦与运动性的作用，揭示其驱动固-液转变及向列有序形成的机制，提出拓扑缺陷共定位模型，为多细胞集体有序性提供力学解释。
2025-02-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cell division: a source of active stress in cellular monolayers
我们介绍了细胞分裂诱导的活动的概念，并表明，细胞分裂产生的伸展力和驱动器在细胞组装的动力学模式。扩展溶致活性向列相的流体动力学模型，我们描述了由细胞分裂在一个汇合的单层细胞中产生的类似于毒液的速度场。我们表明，实验测得的流场分割Madin-Darby犬肾（MDCK）细胞是由我们的建模方法再现。分裂诱导的活动与可伸展和可收缩细胞集合体中细胞的内在活动一起作用，以改变流动和导向图案以及拓扑缺陷的密度。最后，我们模拟了细胞集落边界的演变，并将细胞分裂引起的指状不稳定性与MDCK细胞培养物扩增的实验观察进行了比较。
2015-08-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Traction and Stress Control Formation and Motion of +1/2 Topological Defects in Epithelial Cell Monolayers
本研究通过量化上皮细胞单层中+1/2缺陷附近的细胞速度、牵引力和应力，发现牵引力与应力共同决定缺陷运动方向，且缺陷形成源于细胞力与运动的协调模式。
2025-08-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Multiphase field models for collective cell migration
汇合的细胞单层和上皮组织在结构排列和主动驱动的集体流动中显示出显着的模式和相关性。我们使用多相场模型模拟这些属性。该模型是基于细胞变形和细胞间的相互作用，我们调查的微观细节的影响，将积极的力量新兴的现象。我们比较了四种不同的方法，其中一种方法的活性是由一个随机的方向，其中一个活动与变形的细胞和两个模型与亚细胞的细节，以解决潜在的细胞迁移的机械化学相互作用。该模型进行了比较，相对于通用功能，如固体到液体的相变，细胞形状的变化，新兴的湍流特性，以及涡度相关性和流动模式在大汇合单层和禁闭。所有的结果进行了比较与实验数据的各种各样的细胞培养。模型出现的定性差异显示了微观细节的重要性，并提供了一条通往细胞集落中模式和相关性的预测模拟的途径。
2021-06-19 cond-mat.soft
Free volume theory explains the unusual behavior of viscosity in a non-confluent tissue during morphogenesis
本研究通过基于智能体的二维组织模拟，发现细胞大小的多分散性和变形倾向导致自由面积饱和，从而解释了非融合组织中黏度在临界堆积分数后保持恒定的异常现象。
2023-11-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Bridging microscopic cell dynamics to nematohydrodynamics of cell monolayers
人们越来越多地认识到，液晶特性可以在细胞单层的性质和动力学中发挥重要作用。在这里，我们提出了一个基于细胞的模型的细胞层，相场制剂的基础上，连接在单细胞水平的机械性能，大规模的组织的机械性能和流体动力学性能。特别是，我们提出了一个最小的配方，再现了众所周知的弯曲和张开流体动力学不稳定性的连续线虫的水动力学配方的活性物质，连同分析描述的不稳定性阈值方面的活动和弹性的细胞。此外，我们提供了一个定量表征和比较的流动和拓扑缺陷的伸缩应力产生机制，并证明活动引起的异质性和自发形成的间隙内的汇合单层。总之，这些结果有助于弥合微观尺度细胞动力学和组织尺度集体细胞组织之间的差距。
2022-04-27 cond-mat.soft
A density-independent glass transition in biological tissues
细胞迁移在许多生物学过程中是重要的，包括胚胎发育、癌症转移和伤口愈合。在这些组织中，一个细胞的运动往往受到其邻居的强烈约束，导致玻璃态动力学。虽然自推进颗粒模型表现出密度驱动的玻璃化转变，但这并不能解释融合组织中的液体到固体的转变，其中细胞之间没有间隙，因此密度是恒定的。在这里，我们证明了存在一种新的类型的刚性过渡，发生在充分研究的顶点模型，在恒定密度的汇合组织单层。我们发现刚性的发作是由一个模型参数，编码单细胞特性，如细胞间粘附和皮质张力，提供了一个解释的液体到固体的过渡融合组织和可测试的预测，这些过渡如何不同的颗粒物。
2015-05-16 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Shape-Independent Fluidity in Epithelial Cell Monolayers
University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Northeastern University（东北大学）
本研究发现上皮细胞单层的流体化与细胞形状无关，揭示了粘附能与耗散摩擦的相互作用对上皮流体性的重要性。
2026-08-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modelling bulk mechanical effects in a planar cellular monolayer
本文通过将细胞高度作为自由度的三维顶点模型约化为二维形式，揭示体相效应引起的能量耦合，识别细胞丧失面内刚性的五种机制，并阐明无序单层中刚性转变与拉普拉斯矩阵谱的联系。
2025-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Effect of cellular rearrangement time delays on the rheology of vertex models for confluent tissues
在生物学过程中的大规模组织变形，如形态发生，需要细胞重排。融合细胞单层中最简单的重排涉及四个细胞之间的邻居交换，称为T1转变，类似于泡沫。但与泡沫不同的是，细胞必须执行一系列分子过程，例如粘附分子的内吞作用，以完成T1转变。与组织中的其他时间尺度相比，这样的过程可能需要很长时间。在这项工作中，我们将这一想法通过增加顶点模型，需要一个固定的，有限的时间为T1过渡，我们称之为“T1延迟时间”。我们研究T1延迟时间的变化如何影响组织力学，通过量化T1延迟存在下组织的弛豫时间，并将其与基于细胞形状的时间尺度进行比较，该时间尺度表征在没有任何T1延迟的情况下的流动性。我们发现，分子尺度的T1延迟时间尺度占主导地位的细胞形状规模的集体响应时间尺度时，T1延迟时间是较大的两个。我们将这种分析扩展到收敛扩展下变得各向异性的组织，发现类似的结果。此外，我们发现增加T1延迟时间会增加更高倍数的协调顶点和顶点的百分比，并减少成功的T1的总数，从而有助于更像弹性的组织反应。我们的工作表明，分子机制，作为一个刹车T1转换可以扰乱全球组织力学和增强玫瑰花结形成过程中形态。
2021-04-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Coarse-graining dense, deformable active particles
针对汇合可变形活性粒子材料的建模问题，对紧密堆积可变形椭圆粒子模型粗粒化推导连续介质方程，揭示相互作用与活性流动的影响，结果与多相场模拟吻合，搭建细胞模型与活性物质连续理论的桥梁。
2025-01-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Effect of Serum Starvation on Rheology of Cell Monolayers
细胞和组织的流变学特性是胚胎发育和成体组织器官内稳态的核心，并与其生理活动密切相关。在这项工作中，我们提出了我们的研究流变学实验的细胞单层血清饥饿下相比，健康的细胞单层与全血清。细胞的正常功能取决于生长培养基中血清提供的微量营养素供应。血清饥饿是细胞生物学中最广泛使用的程序之一。血清缺乏可能导致基因组不稳定、蛋白质表达变异、慢性疾病和某些特定类型的癌症。然而，血清浓度剥夺对细胞材料性质的影响仍然是未知的。因此，我们进行了宏观流变学实验，以研究血清饥饿对完全融合的Madin Darby犬肾（MDCK）细胞单层的影响。在无血清（0%FBS）和全血清（10%FBS）条件下使用振荡剪切实验测量单层的材料性质，例如储能模量（G '）和损耗模量（G“）。此外，进行阶跃应变实验以获得对细胞单层的粘弹性性质的更多了解。我们的研究结果表明，没有血清，损失和存储模量降低，并没有完全恢复，即使在小变形。这是因为缺乏营养，这可能会导致许多永久性的生理变化。然而，在全血清条件下的健康细胞单层保持坚固和柔韧，并且即使在较高应变下从大变形也可以完全恢复。
2021-03-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Couple stresses and discrete potentials in the vertex model of cellular monolayers
顶点模型被广泛用于模拟汇合上皮细胞和其他多细胞组织的力学性能。这种固有的离散框架允许柯西应力归因于每个细胞，并且其对称分量已被广泛报道，至少对于平面单层。在这里，我们考虑的应力归因于每个三细胞交界处的邻居，特别是其领导阶反对称组件和相关的耦合应力，这说明在何种程度上个别细胞的经验（和抵抗）在平面内弯曲变形的评估。我们开发的离散势理论具有无序的内部结构的局部化单层，并使用它来获得类似物的艾里和Mindlin应力函数。这些标量势通常具有宽带谱，突出了小尺度缺陷和边界层对全局应力模式的贡献。仿射近似属性将应力耦合到共享三结点的单元之间的压力差，但模拟表明非仿射变形的附加作用。
2022-07-21 cond-mat.soft q-bio.TO
Solid-Liquid Transition of Deformable and Overlapping Active Particles
实验和理论表明，细胞单层和上皮组织表现出固-液和玻璃-液转变。这些转变在生物学上与我们对胚胎发育、伤口愈合和癌症的理解有关。目前的模型通常考虑纯二维单层，相邻细胞之间没有重叠。实际上，重叠是重要的，它们可能是细胞挤出的前体--维持上皮组织内稳态的关键生物物理过程。在这里，我们使用一个多相场模型来研究在一个汇合的单层可变形细胞，可以重叠的固-液转变。当细胞重叠，而不是变形，我们发现，熔化过渡从连续到不连续的变化，并有一个间歇性的制度接近过渡，固体和液体状态随着时间的推移交替。通过研究$5$ -和$7$ -折叠向错在由细胞中心形成的六方晶格中的动力学，我们观察到这些与细胞重叠中的空间波动相关，并且细胞挤出倾向于在$5$ -折叠向错附近开始。
2020-05-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Geometric signatures of tissue surface tension in a three-dimensional model of confluent tissue
在致密的生物组织中，执行不同角色的细胞类型通过保持尖锐的界面而保持分离。为了更好地理解这种尖锐的区室化的机制，我们研究了在融合组织的全3D模型中两种不同细胞类型之间的界面处施加异型张力的影响。我们发现，细胞快速排序和自我组织，以产生细胞类型之间的组织规模的接口，和细胞相邻的这个接口表现出签名的几何特征，包括向列型排序，双峰小面面积，和注册，或对齐，细胞中心的两侧的两个组织接口。这些特征的大小直接与施加的张力的大小成比例，这表明生物学家可以简单地通过分割3D组织来估计两种组织类型之间的组织表面张力的大小。为了揭示驱动这些几何特征的潜在物理机制，我们开发了两个最小的，有序的模型，使用两个不同的底层晶格，确定大量的细胞形状和组织界面面积之间的激烈竞争。当界面区域占主导地位时，对邻居拓扑的更改代价高昂且发生频率较低，这会生成观察到的几何特征。
2021-02-10 cond-mat.soft
Dense HeLa cell monolayers remain liquid-like despite strong crowding
University of Tsukuba（筑波大学）；The University of Osaka（大阪大学）
本研究结合实验与模拟发现，致密HeLa细胞单层在强拥挤下仍保持液态弛豫，持续运动性是维持高密度结构弛豫的关键，为癌症转移提供启示。
2026-09-17 cond-mat.soft
Dense Suspension Splat: Monolayer Spreading and Hole Formation After Impact
我们使用实验和最小的数值模型来研究对光滑的固体表面的致密悬浮液滴的影响所形成的快速膨胀的单层。膨胀产生了由无颗粒区域分隔的颗粒簇的花边状图案。空间不均匀性的扩展和发展都受颗粒惯性的支配，因此对表面润湿、毛细作用和粘性阻力的细节是鲁棒的和不敏感的。
2014-02-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Effects of cell elasticity on the migration behavior of a monolayer of motile cells: Sharp Interface Model
为了研究细胞弹性性质对运动细胞组装体行为的影响，本文提出了一种细胞相场（CPF）的替代方法\cite{Palmieri2015}。CPF是一种多尺度的方法来模拟许多细胞，跟踪单个细胞，并允许大的变形。虽然结果与关注软癌细胞在正常细胞融合层中迁移的实验基本一致\cite{Lee2012}，但模拟需要大量计算资源，使得更详细的研究不可行。在这项工作中，我们得到了一个尖锐的界面限制CPF，包括所有的相互作用和参数。与我们最初的CPF实现相比，这个新模型提供了超过$200$的折叠加速。我们证明，该模型捕捉到类似的行为，并使我们能够获得新的结果，以前是棘手的。我们得到了全速度分布的汇合度，$ρ$的大范围内，并显示制度，其尾部是重，轻于正常分布。此外，我们充分描述了速度分布与一个单一的参数，其依赖于$ρ$是完全确定的。最后，细胞运动性随$ρ$的增加而线性降低，与以前的理论结果一致。
2018-07-20 cond-mat.soft
Collective synchrony in confluent, pulsatile epithelia
本文研究上皮单层中脉动细胞的集体同步振荡，发现同步性随细胞密度非单调变化，并通过连续介质模型和乳腺癌细胞系实验揭示其与拓扑缺陷及转移潜能的关系。
2025-07-22 cond-mat.soft
Aggregation Dynamics of Active Rotating Particles in Dense Passive Media
由于活性粒子之间的有效相互作用，活性物质系统能够表现出涌现的非平衡态。在这里，我们研究的聚集和动力学行为的主动旋转粒子，自旋，嵌入在二维被动胶体单层，这构成了这样一个非平衡过程。使用实验和模拟，我们观察到聚集的活性粒子或自旋，其行为类似于经典的二维粗化。聚集行为和自旋吸引力取决于被动单分子膜的力学性质和自旋分子的活性。只有当被动单分子层表现出弹性时，并且当自旋器活动超过最小活动阈值时，才会发生自旋器聚集。有趣的是，对于这里研究的旋转体浓度，旋转体浓度似乎没有改变聚集行为的动力学。也有一个特征的集群大小，在其中的动态自旋聚合是最大化的阻力通过被动单层最小化和被动介质上施加的应力最大化。我们还表明，一个三元混合物的被动粒子，同向旋转和反向旋转的自旋也聚集成集群的共同和反向旋转的自旋。
2017-01-24 cond-mat.soft
Solid-to-solid transition in dense assemblies of elongated cells
Sun Yat-sen University（中山大学）；Guangdong Provincial Key Laboratory of Magnetoelectric Physics and Devices, School of Physics, Sun Yat-sen University（中山大学物理学院磁电物理与器件广东省重点实验室）；Interdisciplinary Research Center for Physical Mechanics in Complex Systems and Its Engineering Applications, School of Physics, Sun Yat-sen University（中山大学物理学院复杂系统力学及其工程应用交叉研究中心）；Aix Marseille Univ, CNRS and Turing Centre for Living Systems, CPT (UMR 7332)（艾克斯-马赛大学、法国国家科学研究中心及图灵生命系统中心，CPT（UMR 7332））；Aix Marseille Univ, Université de Toulon, CNRS, LAI (UMR 7333), Turing Centre for Living Systems（艾克斯-马赛大学、土伦大学、法国国家科学研究中心、LAI（UMR 7333）及图灵生命系统中心）
通过引入细胞各向异性形状的内在弹性偏好，发现细胞伸长不会使组织流化，而是驱动从有序各向同性固体到无序各向异性固体的固态到固态转变。
2026-06-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Density-Velocity Relation Is Scale-Dependent in Epithelial Monolayers
本研究发现上皮单层中细胞密度与速度的关系具有尺度依赖性，小尺度下正相关、大尺度下负相关，通过牵引力测量揭示其与机械压力分离相关，调和了密度调节迁移的矛盾观点。
2025-08-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Transitions Between Cooperative and Crowding-Dominated Collective Motion in non-Jammed MDCK Monolayers
本文研究非堵塞MDCK单层中机械耦合对细胞运动的影响，发现低密度及多个黏附性范围内细胞迁移速度随机械耦合增强而增加，挑战了传统认知并为密集细胞群体运动提供新见解。
2024-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Tracking collective cell motion by topological data analysis
通过修改和校准的活动顶点模型的实验，我们数值模拟了一个汇合的细胞单层上的一个空的空间和碰撞的两个单层的不同的细胞在拮抗迁移试验。细胞受到惯性力和主动力的影响，主动力试图使它们的速度与相邻细胞的速度保持一致。在协议与实验，扩展测试表现出手指形成的移动接口，在速度场的漩涡，极性序参量和相关性和漩涡长度随时间的增加。正如最近的实验所观察到的那样，组织内部的细胞比界面处的细胞面积更小。在拮抗性迁移测定中，流体样Ras细胞群体侵入分别具有高于和低于几何临界值的形状参数的野生型固体样细胞群体。细胞混合或分离取决于不同细胞之间的连接张力。我们重现实验观察到的拮抗迁移试验，假设一部分细胞有利于混合，其他分离，这些细胞是随机分布在空间中。为了以自动方式表征和比较细胞类型之间的界面结构或扩散细胞单层的界面结构，我们将拓扑数据分析应用于实验数据和数值模拟。我们使用时间序列的数值模拟数据自动分组，跟踪和分类的细胞聚集体的推进接口的瓶颈或Wasserstein距离的持久同源性。这些拓扑数据分析技术是可扩展的，可用于涉及大量数据的研究。除了应用于伤口愈合和转移性癌症外，这些研究还与组织工程、材料的生物学效应、组织和器官再生有关。
2020-09-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Elasticity Induced Force Reversal Between Active Spinning Particles in Dense Passive Media
活性粒子的自组织由它们的动态有效相互作用决定。这种相互作用由这种活性剂所处的介质控制。在这里，我们研究了在一个致密的非活性介质中的活性剂之间的相互作用。我们的系统由驱动自旋（主动）粒子嵌入在一个致密的单层被动（非主动）粒子。我们表明，被动单层的存在下，显着改变系统的性能，并导致主动自旋粒子之间的力从排斥到吸引力的逆转。这种反转的起因是由于主动应力和系统弹性之间的耦合。这一发现为复杂和结构化介质中活性剂之间的相互作用提供了一种新的机制，开辟了通过介质的机械特性调节相互作用范围和方向性的新机会。
2015-12-08 cond-mat.soft physics.chem-ph
Clustering, Order, and Collapse in a Driven Granular Monolayer
在垂直振动的颗粒单分子膜中，实验观察到了成簇、长程序和非弹性坍塌的稳态动力学。在大的振动振幅，粒子关联显示只有短程秩序一样，平衡的二维硬球气体。降低振幅“冷却”系统，导致相关性的急剧增加，从而导致聚集或有序状态。进一步的冷却形成了坍缩：静止的球与密度较低的气体共存的冷凝物。测得的速度分布是非高斯的，显示出近指数的尾巴。
1998-10-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stability of arrays of bottom-heavy spherical squirmers
微生物在稠密悬浮液中的不断游动运动可以引起引人注目的集体运动和连贯结构。然而，这些结构的理论研究通常利用计算要求高的数值模拟，或简化的连续模型。在这里，我们分析调查的集体动力学的一个密集的阵列稳定，球形蠕动。首先通过求解Stokes方程，将其转化为平均间距与蠕动体半径之比的二阶方程，计算了作用在两个相互靠近的蠕动体上的力和力矩。这种润滑分析，然后用来评估一个密集的，垂直的，平面阵列的相同的三维蠕动的稳定性。均匀间隔，垂直方向的蠕动系统是稳定的，如果所经历的重力扭矩由于底部沉重是足够强的，和细胞间的排斥力。不稳定性和可能的长时间行为的预测是定性相似的单分子层之间的两个平行的刚性平面限制为无约束的单分子层。的预测比较有利与出版的数值模拟，并揭示了存在的额外的动态结构，以前没有观察到的;拉式蠕动显示出更大的范围内的结构比推。成对润滑相互作用的使用提供了一种有效的手段来评估通常使用全数值模拟处理的稠密悬浮液的稳定性。
2019-01-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Motility-induced buckling and glassy dynamics regulate three-dimensional transitions of bacterial monolayers
许多成熟的细菌菌落和生物膜是复杂的三维（3D）结构。他们开发计划中的一个关键步骤是从二维（2D）单层过渡到3D架构。尽管在各种医疗和工业环境中控制微生物菌落和生物膜的生长很重要，但单细胞动力学、密集细胞的集体行为和3D复杂菌落扩增背后的潜在物理机制仍然很大程度上未知。在这项工作中，我们探索背后的机制，运动铜绿假单胞菌菌落的二维到三维的过渡，我们提供了一个新的运动诱导，率依赖性屈曲机制，他们的平面外生长。我们发现，成群的能动的细菌菌落产生持续的面内流动。我们发现，这些流动产生的粘性剪切应力和动态压力，使细胞克服细胞-基质粘附，导致屈曲的细菌单层和生长到第三维。建模细菌单层作为二维流体膜，我们确定了普遍的关系，阐明了在平面内的粘性应力，压力和细胞-基质粘附之间的竞争。此外，我们表明，细菌单层可以表现出从群集到动力学被捕，玻璃样状态以上的发病密度交叉，导致不同的2D到3D的过渡机制。结合实验观察铜绿假单胞菌菌落在单细胞分辨率，分子动力学模拟的活性系统，和理论的玻璃态动力学和二维流体膜，我们开发了一个动态状态图，预测的殖民地的状态，和管理他们的二维到三维的过渡机制。
2020-03-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Stress percolation criticality of glass to fluid transition in active cell layers
使用三维表示的汇合细胞层，我们映射到二维（2D）网站渗流普适类的非晶态固体到流体的相变在活性细胞层。重要的是，我们统一了两个不同的，主要的，与这种转变相关的途径;即（i）细胞-细胞粘附和（ii）主动牵引力。对于每种途径，我们独立地改变相应的控制参数，并专注于新兴的机械应力模式的单层从玻璃状过渡到流体状的状态。通过有限尺寸标度分析，我们的研究结果使我们建立玻璃状到流体状的过渡作为一个关键的现象，在细胞层中的应力发展，并显示相关的临界性属于2D网站渗流普适性类。我们的研究结果提供了一个新的视角固体（玻璃状）到流体的相变在活性细胞层，并可以桥接我们的理解玻璃态行为的活性物质在生物过程中，如伤口愈合，发展和癌症进展的潜在影响。
2022-10-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
An active soft glassy rheology model
University of Göttingen, Institute for Theoretical Physics（哥廷根大学理论物理研究所）；King’s College London, Department of Mathematics（伦敦国王学院数学系）
该研究提出活性软玻璃流变学模型，在介观尺度引入持久随机应变率，揭示活性驱动致密非晶材料从幂律到麦克斯韦行为的流化转变，并表征流化时间尺度。
2026-09-22 cond-mat.soft
Many-body activity emerging in a monolayer of air-fluidized hollow pentagons
University of Michigan（密歇根大学）；Universidad Complutense de Madrid（马德里康普顿斯大学）
实验研究空心五边形颗粒在气流中的多体相互作用，发现稀疏颗粒扩散运动，而密集簇中颗粒呈现超扩散，揭示由局部无序结构诱导的涌现活性。
2026-06-16 cond-mat.soft
Variational methods and deep Ritz method for active elastic solids
变分方法在软物质物理中被广泛应用于静态和动态问题。这些方法主要基于两个变分原理：最小自由能变分原理（MFEVP）和Onsager的变分原理（OVP）。我们的兴趣在于这些变分方法的应用，活性物质物理。在我们以前的工作[软物质，2021，17，3634]中，我们探索了基于OVP的变分方法在活性物质动力学建模中的应用。在目前的工作中，我们探索变分（或能量）方法，是基于MFEVP的静态问题，在主动弹性固体。我们表明，MFEVP不仅可以用来推导平衡方程，但也发展近似的解决方案，如里兹方法，主动固体静力学。此外，如果我们使用深度神经网络来构造变分问题的试探解，则可以使用深度学习方法进一步增强Ritz类型方法的能力。然后，我们应用这些变分方法和深里兹方法研究的自发弯曲和收缩的薄主动圆板，引起内部不对称的主动收缩。发现圆板向其收缩侧弯曲。这样一个简单的玩具系统的研究提供了理解固体状融合细胞单层的形态发生的影响。此外，我们引入了一个所谓的主动重力长度来表征重力相对于内部主动收缩在驱动活动板块弯曲的重要性。当侧板尺寸大于主动重力长度（约100微米）时，重力变得重要。在多细胞尺度上的这种重力轴行为可能在形态发生和组织发育过程中的上下对称性破坏中起重要作用。
2022-06-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active Deformable Cells Undergo Cell Shape Transition Associated with Percolation of Topological Defects
细胞变形性是组织尺度力学性质（如流动性和刚性）的重要决定因素，因此对于理解组织稳态和稳定发育过程至关重要。然而，数值模拟的集体动力学的细胞仲裁细胞变形类似于间充质，阿米巴样，上皮细胞在非融合的情况下需要高的计算成本，仍然是具有挑战性的。在这里，我们提出了一种新的方法，使我们能够研究比现有方法更大数量的细胞。使用该方法，我们研究了密集的活性细胞群体通过排除体积相互作用相互作用，并发现了两个流体相的出现在可变形的细胞群体中，一个软流体相与急剧变形的细胞形状和一个流体相与圆形细胞形状。这两个阶段之间的过渡的特点是渗透的拓扑缺陷，这是实验测试。
2023-03-07 cond-mat.soft q-bio.TO
Multi-scale statistics of turbulence motorized by active matter
许多微尺度的生物流动具有时空混沌的特征。这些包括游动细菌的稠密悬浮液，由马达蛋白驱动的微管束，以及分裂和迁移的汇合细胞层。所有这些系统的一个共同特征是它们负载有活性物质，该活性物质将流体中的自由能转化为动能。由于集体效应，活性物质引起多尺度流动运动，这些运动在视觉上与湍流非常相似。在这项研究中，多尺度统计工具分析直接数值模拟（DNS）的周期性的两个（2D）和三维（3D）的活动流，并比较它们与经典的湍流。在物理空间和光谱空间中提供了流量及其随活动水平变化的统计描述。使用小波进行尺度相关的不确定性分析。结果表明，主动和高雷诺数湍流之间的根本差异，例如，在主动流的不稳定性较小，能量较低，和工作的主动应力是光谱施加附近的积分尺度和耗散主要是局部的粘度，对流跨尺度的动量输运中起着次要的作用。
2017-05-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Active micromachines: Microfluidics powered by mesoscale turbulence
密集的活性物质，从细菌悬浮液和由马达蛋白驱动的微管束到细胞单层和合成Janus颗粒，其特征在于中尺度湍流，混沌流结构的出现。通过将有序的对称转子阵列浸入到活性流体中，我们引入了一种微流控系统，该系统利用介观湍流中的自发对称性破缺来做功。转子的晶格自组织成自旋状态，其中相邻的盘由于流体动力学和弹性效应的组合而在永久交替的方向上连续旋转。我们的虚拟样机展示了一个新的研究方向的微机械设计提供动力的主动湍流的线虫流体动力学特性。
2016-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dead or alive: Distinguishing active from passive particles using supervised learning
本研究针对密集无序物质中主动与被动布朗粒子混合物，开发了基于Voronoi镶嵌的机器学习方法，能高效准确地从局部结构信息中识别主动粒子，并揭示了动态倾向与非平衡活性的结构特征差异。
2023-05-22 cond-mat.soft
First observation of turbulence-like state in dense algal suspensions
Institute of Scientific Computing, TU Dresden（德累斯顿工业大学科学计算研究所）；Department of Bioengineering, Indian Institute of Science（印度科学学院生物工程系）；Department of Physics, Indian Institute of Science（印度科学学院物理系）
研究首次在无取向序或拓扑缺陷的密集单细胞藻类单层中观测到湍流样动力学，揭示了非高斯速度分布和功率律能量谱特征，挑战了现有理论模型。
2026-04-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.CD
Journey of an intruder through the fluidisation and jamming transitions of a dense granular media
我们实验研究的运动的入侵者拖到一个无定形单层的水平振动的颗粒在高包装分数。该运动表现出两个转变。第一个转变将相对低的填充率和大的拖曳力下的连续运动状态与高填充率和低拖曳力下的间歇运动状态分开。与这些不同的运动，我们观察到从线性流变学的一个更硬的响应的过渡。因此，我们把这第一个过渡称为“流化”。第二个过渡观察到的间歇性制度内，当入侵者的运动是由间歇性的突发分开长时间的等待时间。我们观察到一个峰值的相对波动的入侵者的位移和一个临界缩放的突发幅度分布。这种转变发生在以前的研究中表征的堵塞点，并定义为静压（即在没有振动的情况下测量的压力）消失的点。调查周围的晶粒的运动，我们表明，以下的fludenation过渡，有一个永久的自由体积后面的入侵者。这种转变的标志是由周围的入侵者，从流动制度中的紧凑的聚集体，以远程分支的形状在间歇性制度的演变重组模式的演变，这表明应力波动的作用越来越大。值得注意的是，这些重组模式的动能的分布也表现出一个关键的缩放在堵塞过渡。
2009-09-25 cond-mat.soft
