Stress management in composite biopolymer networks
活组织对应变表现出非凡的适应性，这对它们正常的生物功能至关重要。这种机械行为的物理起源已被广泛研究使用胶原纤维，组织的主要承重成分的重组网络。然而，组织中的胶原纤维包埋在柔软的水合多糖基质中，这会产生大量的内应力，其对组织力学的影响尚不清楚。在这里，通过结合机械测量和计算机模拟，我们表明，胶原纤维和透明质酸基质组成的网络表现出协同力学的特点是增强刚度和延迟应变硬化。我们证明了多糖基质对复合材料的响应具有双重影响，包括内应力和弹性增强。我们的研究结果阐明了组织如何在很大范围内调整其应变敏感性，并为具有可编程机械性能的合成材料提供了一种新的设计原理。
2019-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
A macroscopic approach for stress driven anisotropic growth in bioengineered soft tissues
软生物组织内生长过程的模拟对于医学领域的许多应用至关重要。在这方面的贡献，我们提出了一个新的宏观方法模拟应力驱动的体积生长发生在软组织。而不是使用先验定义的增长张量的结构的标准方法，我们假设存在一个一般的增长潜力。这种电位描述了生长过程最终可达到的所有可识别的稳态应力状态。利用从粘塑性的成熟的方法，生长相关的右柯西-格林张量的演化随后被定义为一个时间依赖的关联演化规律相对于引入的潜力。这种方法自然导致能够覆盖各向同性和各向异性生长相关的几何变化的制剂。它还允许模型灵活地适应不断变化的边界和负载条件。除了理论的发展，我们还描述了算法的实现，并进一步比较新推导出的模型与各向同性增长的标准配方。
2021-07-08 cond-mat.soft cs.CE
Fluctuations can induce local nematic order and extensile stress in monolayers of motile cells
最近在各种细胞类型的实验表明，二维组织往往显示局部的有序性，在拓扑缺陷的动力学中表现出伸展应力的证据。使用一个介观模型，其中组织流产生的波动牵引力耦合到的有序序参量，我们表明，由此产生的组织动力学可以自发地产生局部有序和可扩展的内部应力。该模型的一个关键要素是假设，在存在局部平行排列的情况下，细胞优先沿着平行轴爬行，从而导致波动的各向异性。我们的工作表明，活动可以驱动组织中的伸展或收缩应力，这取决于皮质细胞骨架的收缩性和细胞对细胞外基质的牵引力的相对强度。
2021-02-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Why Extensile and Contractile Tissues Could be Hard to Tell Apart
本文用双张量序参量连续介质理论证明仅靠细胞形状与流动的关联无法区分主动应力是拉伸型还是收缩型，强调需同时测量应力与细胞形状才能解释上皮组织中的物理力性质。
2025-11-10 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
Yield Stress and Compliance in Active Cell Monolayers
生物组织的流变学在从器官形成到癌症侵袭的许多过程中起着重要作用。在这里，我们使用一个多相场模型的运动细胞，以模拟活跃的组织单层内的微观流变学。当未受干扰时，组织表现出由细胞运动性和变形性调节的固体状状态和流体状状态之间的转变-空间细胞-细胞排斥和细胞表面张力的能量消耗的比率。当扰动时，固体组织表现出屈服应力行为，探针粒子运动开始的阈值力在接近固体到液体的转变时消失。这种运动的开始在低和高变形性区域中是质的不同的。在高变形性下，组织在固体时是无定形的，其顺应性地响应于变形，并且探针向运动的过渡是平滑的。在低变形性下，单层更有序，更硬，运动的开始似乎不连续。我们的研究结果表明，不同类型组织中的细胞或纳米颗粒转运可能是根本不同的，并指出了可以控制的方法。
2022-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
A constitutive model for discontinuous shear thickening in epithelial tissues
Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究所）
该研究提出了一种上皮组织中不连续剪切增稠的本构模型，揭示了应力和粘度在临界剪切速率下的突然增加机制，并通过模拟验证了理论预测。
2026-02-24 cond-mat.soft
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
Growth phases of an active tissue: determinate, indeterminate, and proportionate
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究所国际理论科学中心）
本研究通过构建活性黏弹性连续介质模型，揭示活性组织的确定型、不确定型、比例型生长由活性应力与弹性模量的比值及机械阻抗决定，统一于同一力学框架。
2026-08-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Anisotropic Young-Laplace-equation provides insight into tissue growth
生长的组织是高度动态的，由于细胞增殖、迁移和组织重塑而在足够长的时间尺度上流动。因此，活组织可以近似为液体。这意味着微组织的形状由表面应力状态控制，就像在液滴中一样。最近的工作表明，成纤维细胞或成骨细胞微组织的近表面区域中的细胞与高度定向的肌动蛋白丝收缩，从而使表面应力状态各向异性，与各向同性流体的预期相反。在这里，我们扩展了杨拉普拉斯定律，包括机械各向异性的表面。然后，我们考虑到这一点，以确定平衡形状的旋转对称机构进行各向异性的表面应力状态，并推导出一个家庭的革命表面类似的Delaunay表面。与最近发表的微组织形状的比较表明，该理论准确地预测了表面形状和表面中肌动蛋白丝的方向。各向异性版本的杨-拉普拉斯定律可能有助于描述微组织的生长，也可以预测具有高度各向异性表面特性的流体的形状。
2021-12-15 cond-mat.soft
Topological Floppy Modes in Epithelial Tissues
拓扑力学的最新进展揭示了不寻常的现象，例如拓扑保护的松软模式和指数局部化在机械网络边界和界面上的自应力状态。在本文中，我们探讨了上皮组织的拓扑力学，这些边界和界面模式的出现可能会导致局部软或应力点，并在形态发生中发挥作用。我们考虑一个简单的顶点模型（VM）所管辖的有效弹性能量和其推广的主动张力网络（ATN），其中包括积极适应的细胞骨架。通过分析空间周期晶格在麦克斯韦点的机械不稳定性，我们发现拓扑极化阶段与指数本地化的松弛模式和状态的自应力的ATN时，细胞被允许成为凹，但不是在VM。
2021-04-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Influence of initial residual stress on growth and pattern creation for a layered aorta
残余应力在大多数生物和人工材料中普遍存在且不可或缺，它维持和优化了许多生物和功能机制。从无应力初始状态开始的体积生长理论被广泛用于解释生长诱导的残余应力的产生和演变以及由此产生的形状变化，并对生长中的生物组织（如动脉和实体瘤）如何根据几何和材料参数开发图案创建策略进行建模。这种建模为设计和指导给定组织或器官的一些适当形态并实现一些目标生物医学功能提供了有希望的途径。在本文中，我们依靠一个修改后的，增强的理论，揭示我们如何可以获得生长诱导的残余应力和图案演变的分层动脉从现有的，非零的初始残余应力状态。我们使用实验确定的残余应力分布的老年人双层骨关节炎和量化其影响的幅度因子。我们的研究结果表明，初始残余应力有更显着的影响，残余应力的积累和随后的演变模式比几何和材料参数。此外，我们提供了一个必要的解释生长诱导模式驱动的差分生长耦合到初始残余应力。最后，我们表明，初始残余应力是一个现成的方法来控制生长诱导的图案创建的组织，从而可能提供一个很有前途的启发生物医学工程。
2020-09-13 cond-mat.soft
Stabilization of active tissue deformation by a dynamic signaling gradient
本文研究活性定向组织变形的稳定条件，发现梯度拉伸系统在组织沿梯度伸长时可稳定，梯度收缩系统始终不稳定，还揭示了一种新的附加不稳定性，为稳健变形提供定量标准并解释生物现象。
2025-10-27 cond-mat.soft q-bio.TO
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
Proliferation-driven mechanical feedback regulates cell dynamics in growing tissues
本文通过二维生长组织的智能体模拟，揭示应力介导的增殖反馈如何调控从堵塞到超扩散的细胞动力学，并证明组织生长指数与细胞迁移指数成正比。
2024-05-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Feedback from tissue mechanics self-organizes efficient outgrowth of plant organ
植物器官的生长表面上看起来像一片细胞的连续机械变形。然而，细胞作为单独的机械实体如何在生长过程中可靠有效地将组织变形为三维仍然令人困惑，特别是当细胞像植物组织一样紧密连接时。在植物中，组织内细胞的力学被特别好地定义为单个细胞生长基本上是响应于内部膨压的细胞壁的机械屈服。细胞壁刚度由生物信号传导控制，因此，观察到细胞生长对组织内积累的机械应力作出响应。在三维组织变形过程中，机械反馈的作用是什么？在这里，我们开发了一个三维的顶点模型，调查组织力学在发病时的器官生长在植物梢端。我们发现，器官高度主要取决于启动器官的生长较快的细胞与周围生长较慢的细胞的生长速率之比。值得注意的是，当细胞生长响应于组织范围的机械应力时，生长速率更高。我们的模拟数据的定量分析表明，细胞生长的组织力学反馈可以通过双重机制。首先，反馈引导细胞生长的模式。第二，反馈修改细胞上的应力模式，从而放大和传播生长各向异性。这种机制可以允许植物通过重组细胞生长而不是膨胀生长速率来有效地从分生组织中生长器官。
2020-04-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Stress controls the mechanics of collagen networks
胶原蛋白是各种结缔组织的主要结构和承重元素，在那里它形成支持细胞的细胞外基质。早已知道胶原组织表现出高度非线性的应力-应变关系（Fung YC，Am J Physiol 213（6），1967; Humphrey JD，Proc R Soc Lond A：Math Phys Eng Sci 459（2029），2003），尽管这种非线性的起源仍然未知（McMahon TA，Lec Math Life Sci 13，1980）。在这里，我们表明，重组I型胶原蛋白网络的非线性硬化是由所施加的应力控制，并且网络刚度变得令人惊讶的网络浓度不敏感。我们演示了如何一个简单的模型，弹性纤维网络可以定量地解释重建胶原蛋白网络的力学。我们的模型指出了法向应力在确定非线性剪切弹性响应中的重要作用，这可以解释胶原组织中报道的应力和应变之间的近似指数关系（Fung YC，Am J Physiol 213（6），1967）。这进一步提出了设计具有胶原蛋白样性质的合成纤维网络的新原理，以及控制这种网络的力学的机制。
2015-06-26 cond-mat.soft
Noise-induced transitions from contractile to extensile active stress in isotropic fluids
本文通过解析与数值计算证明，在各向同性活性流体中，涨落力与流体密度的非线性耦合是诱导活性应力在收缩与伸展状态间双向转变的必要条件。
2024-10-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Inferring the flow properties of epithelial tissues from their geometry
非晶材料具有复杂的材料性质和强非线性行为。在屈服应力以下，它们表现为塑性固体，而在临界应力$Σ_c$以上，它们开始屈服。然而，控制塑性的关键量是难以测量的薄弱点的密度$P(x)$，其中$x$是局部塑性破坏所需的附加应力。在热力学极限下，在低于屈服应力$Σ_c$的固相中，$P(x)\sim x^θ$在$x= 0$处是奇异的。这种奇异性与塑性事件的系统Spannig雪崩的存在有关。在这里，我们解决的问题，如果薄弱点的密度和材料的流动性能可以确定从一个非晶结构的几何形状单独。我们表明，一个顶点模型的细胞包装组织表现出塑料无定形系统的现象。当从上面接近屈服应力时，应变速率为零，并且雪崩的大小$S$和它们的持续时间$τ$发散。然后，我们表明，在一般情况下，在材料中的能量泛函依赖于拓扑结构，值$x$是成比例的长度$L$的键消失在一个塑料事件。因此，对于这类模型，$P(x)$很容易仅从几何形状测量。应用这种方法来量化的细胞包装的几何形状在发展中的翅膀上皮的果蝇，我们发现，在这个组织$P(L)$表现出幂律指数类似的顶点模型在其固相的数值。这表明，这种组织表现出可塑性和非线性的材料特性，从集体细胞行为出现，这些材料特性支配发育过程。我们的方法的基础上的拓扑结构和能量之间的关系，提出了一个新的路线与屈服过渡的悬而未决的问题。
2020-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
Influence of Initial Residual Stress on Growth and Pattern Creation for a Layered Aorta
残余应力在大多数生物和人工材料中普遍存在且不可或缺，它维持和优化了许多生物和功能机制。从无应力初始状态开始的体积生长理论被广泛用于解释生长诱导的残余应力的产生和演变以及由此产生的形状变化，并对生长中的生物组织（如动脉和实体瘤）如何根据几何和材料参数开发图案创建策略进行建模。这种建模为设计和指导给定组织或器官的一些适当形态并实现一些目标生物医学功能提供了有希望的途径。在本文中，我们依靠一个修改后的，增强的理论，揭示我们如何可以获得生长诱导的残余应力和图案演变的分层动脉从现有的，非零的初始残余应力状态。我们使用实验确定的残余应力分布的老年人双层骨关节炎和量化其影响的幅度因子。我们的研究结果表明，初始残余应力有更显着的影响，残余应力的积累和随后的演变模式比几何和材料参数。此外，我们提供了一个必要的解释生长诱导模式驱动的差分生长耦合到初始残余应力。最后，我们表明，初始残余应力是一个现成的方法来控制生长诱导的图案创建的组织，从而可能提供一个很有前途的启发生物医学工程。
2019-06-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Prescribing patterns in growing tubular soft matter by initial residual stress
初始残余应力普遍存在于生物组织和软物质中，并对生长诱导的模式选择产生重要影响。在这里，我们证明了这种效果的实验，让软管生长在存在或不存在初始残余应力，并通过观察不同的生长模式的演变。这些实验促使我们模拟机制在发挥作用时，一个不断增长的双层管状器官自发地显示其内表面上的屈曲模式。我们证明，不仅差异生长，几何形状和弹性，而且初始残余应力分布，施加显着的影响，这些模式的现象。规定初始残余应力分布提供了一种替代的或更有效的方式来实现可生长生物组织或软物质的图案选择。这些结果也显示了4D生物模拟打印协议或控制水凝胶致动器的设计的希望。
2020-09-10 cond-mat.soft
Cooperation of dual modes of cell motility promotes epithelial stress relaxation to accelerate wound healing
细胞在凝聚单元中的集体迁移对于组织形态发生、伤口修复和免疫应答至关重要。虽然集体细胞运动的基本驱动力来自单个细胞的收缩和扩张活动，但仍然不知道它们的平衡如何优化以保持组织的凝聚力和运动的流动性。在这里，我们提出了一个基于细胞的计算模型，集体细胞迁移在伤口愈合过程中，采用机械化学耦合的细胞运动和粘附动力学与随机变换的主动运动力。我们表明，扩张运动和肌动球蛋白收缩性的平衡是优化的伤口修复的速度，这是强大的细胞和基板的机械性能的变化。这种平衡是伤口愈合期间快速集体细胞运动的基础，这是由组织中张力介导的集体细胞引导和主动应力松弛之间的权衡造成的。
2018-08-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Exotic rheology of materials with active rearrangements
University of Bristol（布里斯托大学）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；University of Exeter（埃克塞特大学）；Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences（牛顿数学科学研究所）；Leiden University（莱顿大学）
研究生物组织发育中主动应力控制的流动及奇异流变学，引入含被动和主动弹性元件的平均场弹塑性模型，发现主动元件改变流变学，产生非单调流动曲线、负应力、不同屈服应力材料和流体，以及类似滞后的不对称流变曲线。
2026-07-08 cond-mat.soft
Feedback-controlled mechanics of tissue vertex model: emergent soft elasticity and active yielding
University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Kavli Institute for Theoretical Physics（卡弗里理论物理研究所）
研究通过最小顶点模型揭示细胞尺度过程如何产生组织尺度向列序，并影响组织流变学，发现主动屈服状态与柔软弹性状态的转变机制。
2026-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Propagating stress waves during epithelial expansion
上皮创伤愈合和组织形态发生过程中细胞单层的协调运动涉及机械应力的产生。在这里，我们提出了一个模型的上皮细胞扩张的动力学，耦合机械变形的组织收缩活动和极化的细胞。我们的模型的一个新的成分是局部应变，极化和收缩性，自然产生的粘弹性和有效的惯性在细胞单层的机制之间的反馈。使用分析和数值技术的组合，我们证明了我们的模型定量再现了许多实验结果[Nat. Phys. 8，628（2012）]，包括细胞间应力的积累，以及引导振荡单层膨胀的行进机械波的存在。
2015-03-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Design and optimization of in situ self-functionalizing stress sensors
本文设计并优化了基于反相乳液的生物相容性自功能化应力传感器，在低表面张力与乳液不稳定性间取得平衡，并在凝胶、脑类器官和斑马鱼胚胎中验证了应力感测、自功能化及局部释药能力。
2025-10-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
A model for hierarchical patterns under mechanical stresses
我们提出了一个模型，机械诱导的斑图形成生长的生物组织，并讨论其应用于发展的叶片脉序网络。绘制与固体中的相变类比，我们使用相场方法来描述组织的两种状态之间的过渡，例如，叶脉的分化，并考虑分层系统，其中机械应力由差异生长产生。我们提出了一维系统的分析和数值结果，表明增长和不可逆性的组合产生的层次模式。二维模拟表明，这样的机制可以解释层次，网状结构的叶片脉序网络，但需要一个更详细的治疗生长和机械应力之间的耦合。
2009-07-16 cond-mat.other cond-mat.soft
The role of topology and mechanics in uniaxially growing cell networks
在生物系统中，细胞、组织和器官的生长受到机械信号的影响。在局部，细胞生长导致机械异质环境，因为细胞在细胞网络中推拉它们的邻居。尽管存在这种局部异质性，但在组织水平上，细胞网络非常稳健，因为它不容易受到机械环境或网络连接性变化的干扰。通过网络模型，我们将全局组织结构（即细胞网络拓扑结构）和局部生长机制（生长规律）与整体组织反应联系起来。在这个框架内，我们研究了两个主要的机械增长规律，已提出：应力驱动或应变驱动的增长。我们发现，为了创造一个强大的和稳定的组织环境，网络与主要的串联自然驱动的应力驱动的增长，而网络与主要的并联连接与应变驱动的增长。
2020-01-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Fluidization in Growth-Induced Morphogenesis
Worcester Polytechnic Institute（伍斯特理工学院）
本文提出流化生长-弹性模型，揭示组织流变性在压缩下促进对称性破缺并调节应力，使形态发生连续发展，并控制从平滑起伏到局部凹陷的流动模式。
2026-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
From cells to tissue: A continuum model of epithelial mechanics
上皮组织力学的连续模型，制定使用细胞水平的机械成分和细胞形态发生过程，包括细胞的形状变化和细胞重排。该模型可以包括有限变形，并纳入应力和变形张量，这可以与实验数据进行比较。使用这个模型，我们阐明了被动松弛，主动收缩-伸长，和组织剪切流的动力学行为。这项研究提供了一个完整的方案，了解参与编排的个别细胞的形态发生过程中的机制，以实现上皮组织形态发生。
2017-04-23 cond-mat.soft q-bio.CB q-bio.TO
Modelling brain tissue elasticity with the Ogden model and an alternative family of constitutive models
针对Ogden模型用于脑组织变形研究时存在的应变能函数非凸、应力-拉伸曲线凹性预测错误等缺陷，提出一类不受测试方案伪影影响、拟合效果更优的替代本构模型。
2024-07-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
Emergence of active nematics in bacterial biofilms
生长的组织和细菌菌落是活性物质系统，其中细胞分裂和细胞运动产生活性应力。虽然它们在非平衡状态下运行，但这些生物系统可以形成大规模的有序结构，如向列排列的细胞、拓扑缺陷和指状结构。机械不稳定性也发挥了重要作用，在增长过程中产生大的结构折叠。活性物质动力学和机械不稳定性如何一起在生长的组织中形成大规模的秩序还没有很好的理解。在这里，我们使用链形成枯草芽孢杆菌，也被称为生物膜，研究主动应力和生物有序之间的直接关系。我们发现，细菌生物膜具有内在的长度尺度以上的一系列机械不稳定性发生。局部应力和摩擦控制线性屈曲和边缘不稳定性。值得注意的是，这些不稳定性发展向列对齐的细胞结构，并创建对运动和静止的拓扑缺陷。我们还观察到，整个生物膜的应力分布强烈依赖于缺陷的动力学，可以进一步启动形成的孢子形成位点，通过创建三维结构。通过研究细菌生物膜的形成及其力学不稳定性，我们提出了一种新型的活性物质系统，该系统为研究向列体在生物组织生长中的重要作用提供了一个独特的平台。
2018-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Growth and Collapse of an Isolated Bubble Driven by a Single Negative Histotripsy Cycle in Agarose Gel: Stress, Strain, and Strain Rate Fields
组织破坏术依靠空化作用使软组织机械均质化。有强有力的证据表明，随着气泡的生长和破裂而产生的高应力、应变和应变率有助于这种组织均质化。虽然这种应力和应变已经在具有假定的本构模型的模型系统中计算地检查（例如，有限变形Neo-Hookean模型）和准静态条件下确定的粘弹性性质，最近的研究提出，二次定律Kelvin-Voigt（QLKV）本构模型，它还考虑了应变硬化，更准确地代表了软材料遭受空化的粘弹性响应;该模型也被用来推断高速率下的粘弹性性质。在这项工作中，我们使用QLKV模型和这些属性来计算的时间依赖的应力，应变和应变率场的生长和崩溃的过程中产生的单个气泡受到histotripsy相关的压力波形在琼脂糖凝胶中的浓度为0.3~ 1%和1.0~ 1%，并对应于实际（过去）的实验。研究发现，随着凝胶浓度的增加，应变硬化表现为较大的弹性应力和延伸到坍塌阶段的压应力，特别是对于1.0~ 1%浓度的凝胶。因此，塌陷阶段的持续时间也会增加。与传统的新胡克模型相比，压缩应力具有更大的幅度，进一步延伸到周围的介质中，并显示出增加偏离增长/崩溃对称接近的气泡，所有这些影响都被放大的更硬的凝胶。
2021-01-28 cond-mat.soft physics.med-ph
Covariant Active Hydrodynamics of Shape-Changing Epithelial Monolayers
在胚胎发育的早期阶段，形态发生-生物体中形状和形式的出现-几乎完全与单层紧密结合的上皮细胞有关。为了理解这些组织如何改变它们的形状，我们构建了一个完全协变的主动流体动力学理论。在细胞尺度上，应力来自于顶端收缩、机械响应和恒定细胞体积的约束。由于这种细胞自主应力与低雷诺数嵌入流体的位移和剪切之间的平衡，出现组织尺度的变形。可以描述具有任意曲率或形状的组织，为上皮单层形态提供一般框架。平面单分子膜的稳定性分析揭示了两种通用的形状不稳定性：被动约束屈曲，和主动驱动的组织变形。活动性不稳定性可进一步分为两种类型，对应于细胞形状的变化，即“鳞状到柱状”或“规则棱柱到截棱锥”。从后者产生的变形定性再现中胚层和后中肠内陷，这发生在果蝇果蝇的原肠胚形成过程中的发病在体内观察。
2017-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Shape and size changes of adherent elastic epithelia
上皮组织在发育和早期胚胎发生过程中的各种形态发生事件中起着重要作用。尽管上皮单层通常被建模为二维（2D）弹性表面，但它们在三个重要方面与传统的薄弹性板区分开来--顶基极性的存在、细胞厚度的空间变异性以及它们的非平衡活性性质。在这里，我们开发了一个最小的连续模型的平面上皮组织作为一个积极的弹性材料，包括所有这些功能。我们从一个完整的三维（3D）描述的组织，并获得一个有效的2D模型，捕捉，通过顶端表面的曲率，顶部-基底的不对称性和组织的空间几何形状。至关重要的是，跨顶基轴的主动应力的变化导致可以驱动曲率过渡的主动扭矩。通过确定四个不同的活动来源，我们发现，大量的主动应力所产生的肌动球蛋白收缩性和增长的竞争与边界的主动张力，由于本地化的肌动球蛋白电缆和lamellipodial活动产生跨越形态空间的平面上皮的各种状态。因此，我们的治疗通过顶端曲率变化和基质粘附组织的平面内膨胀/收缩的耦合机制来统一3D形状变形。最后，我们讨论了我们的研究结果的影响，一些生物学相关的过程，如组织折叠在管腔形成的发病。
2020-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Simulation of fiber-reinforced viscoelastic structures subjected to finite strains: multiplicative approach
本研究致力于纤维增强复合材料结构的几何非线性模拟。本文对乘性方法在复合材料粘弹性模拟中的适用性进行了评价，并提出了一些改进意见。为了在局部压缩纤维屈曲的应用中获得更高的精度，引入了一个新的超弹性势族。这个家庭使我们能够占可变的临界压应力，这取决于纤维-基体相互作用。对于粘弹性的模拟，实施了变形梯度的公认的Sidoroff分解。为了解释基质材料的粘度，使用Simo和Miehe（1992）的模型;实现了高效的无迭代算法。纤维的粘度同样描述的乘法分解的变形梯度，导致一个标量微分方程，提出了一个有效的无迭代算法的隐式时间步进。新的迭代方法的精度和收敛性进行了测试和比较，标准计划实施牛顿迭代。为了证明该方法的适用性，加压多层复合管建模，所谓的拉伸反转现象再现和解释。应力分布是由一个半解析的程序，它可以作为一个基准有限元计算。最后讨论了参数辨识问题。
2018-06-07 cond-mat.soft physics.app-ph
Acousto-elasticity of Transversely Isotropic Incompressible Soft Tissues: Characterization of Skeletal Striated Muscle
利用剪切波弹性成像技术，我们测量了横纹肌在等长随意收缩过程中随应力变化的波速。为了将单个肌肉的行为与相邻肌肉的互补或拮抗作用分离，我们选择小指屈肌，其唯一功能是伸展小指。为了将波速与刚度联系起来，我们发展了一个剪切波在均匀、横观各向同性、不可压缩固体中受单轴应力作用的声弹性理论。然后，我们提供测量的表观剪切弹性模量沿，横向，纤维轴为6个健康的人类志愿者的不同年龄和性别。结果显示，在六个科目的差异很大。我们发现，沿纤维方向的表观剪切弹性模量的斜率的变化成反比的最大自愿收缩（MVC）所产生的志愿者。我们建议通过引入纤维的S（慢）或F（快）性质来解释我们的结果，这些纤维以不同的方式硬化肌肉，从而产生不同的MVC。这项工作为测量肌肉骨骼疾病或神经退行性疾病患者的肌肉弹性刚度开辟了道路。
2021-03-17 cond-mat.soft physics.med-ph
Stress-dependent amplification of active forces in nonlinear elastic media
生物体中机械应力的产生在很大程度上依赖于嵌入丝状基质中的局部的、产生力的活性单元。具有固定边界的离散纤维网络的数值模拟表明，基体中的屈曲显著地放大了所产生的主动应力。在这里，我们将这一结果扩展到一个bucklable连续弹性介质受到任意的外部应力，并推导出解析表达式的活性，非线性本构关系表征的全活性介质。插入这些关系到流行的“活性凝胶”的活组织和细胞骨架的描述将使调查非线性制度以前无法访问，由于这些理论的现象学性质。
2018-05-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
A robust anisotropic hyperelastic formulation for the modelling of soft tissue
胶原纤维增强材料的各向异性超弹性行为的Holzapfel-Gasser-Ogden（HGO）模型最初是为了描述动脉组织的弹性特性而开发的，但现在广泛用于模拟各种软生物组织。这类材料可以看作是不可压缩的，当采用不可压缩条件时，HGO模型的应变能ε是一个各向同性和两个各向异性变形不变量的函数。可压缩形式（HGO-C模型）被广泛用于有限元模拟中，其中，各向同性的部分被解耦成体积和等容部分，并且各向异性的部分被表示为等容不变量。在这里，通过使用三个简单的变形（纯膨胀，纯剪切和单轴拉伸），我们证明了可压缩HGO-C配方不能正确地模拟可压缩各向异性材料的行为，因为模型的各向异性组件是不敏感的体积变形，由于使用等容各向异性不变量。为了正确地建模可压缩各向异性行为，我们提出了一个修改的各向异性（MA）模型，从而使用完整的各向异性不变量，使体积各向异性的贡献表示。MA模型正确地预测了流体静力拉伸载荷的各向异性响应，即球体变形为椭球体。它还计算了纯剪切和单轴变形的正确各向异性应力状态。为了研究更多的实际应用，我们开发了一个有限元用户定义的材料子程序，用于模拟支架在轻微可压缩动脉中的部署。当使用完全各向异性不变量（MA模型）而不是等容形式（HGO-C模型）时，计算出显著更高的应力三轴性和动脉顺应性。
2020-09-18 cond-mat.soft
Shear-driven solidification and nonlinear elasticity in epithelial tissues
从形态发生到肿瘤侵袭的生物过程在活组织内自发地产生剪切应力。然而，对上皮中机械力的传递和组织对大剪切变形的集体反应的机制仍然知之甚少。采用基于最小单元的计算模型，研究了简单剪切变形下融合组织的本构关系。我们表明，最初未变形的流体状组织获得有限的刚度以上的临界施加应变。这类似于在其他软物质系统中观察到的剪切驱动刚性。有趣的是，剪切驱动的刚性可以理解的临界尺度分析附近的二阶临界点，支配未变形系统的液-固转变。我们进一步表明，一个solidlike组织线性响应小应变，但然后切换到一个非线性响应在较大的染色，与实质性的硬化。最后，我们提出了一个剪切下的细胞平均场公式，提供了一个简单的物理解释剪切驱动的刚性和非线性响应的组织。
2022-11-28 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Training cell stress patterns in 3D cellular packings
Syracuse University（雪城大学）；Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）
研究通过对比学习算法在可重构细胞组织中训练细胞应力模式，揭示了机械状态、容量和训练协议的相互作用，以及组织刚性对探索与利用的平衡影响。
2026-04-28 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Are homeostatic states stable? Dynamical stability in morphoelasticity
生物生长通常由机械线索驱动，例如外部压力或拉伸载荷的变化。此外，众所周知，许多活组织主动维持优选水平的机械内应力，称为机械稳态。局部机械应力的变化影响生长的组织级反馈机制被称为形态弹性理论中的生长定律，形态弹性理论是一种用于理解生长和进化生物材料中力学和几何学之间耦合的理论。本文的目标是发展数学技术来分析生长规律，并探讨异质性和生长稳定性问题。我们讨论了管状结构的生长动力学，这是非常常见的生物学（如动脉，植物茎，气道）和模型的稳态驱动的生长动力学管产生空间不均匀的残余应力。我们表明，稳态的稳定性依赖于非平凡的各向异性的生长响应。各向异性的关键作用可能为稳态驱动的生长规律的实验测试提供基础。
2018-04-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
