Multiscale mechanics of macromolecular materials with unfolding domains
我们提出了一个通用的多尺度方法的力学行为的三维网络的大分子进行应变诱导展开。从一个（基于统计的）能量分析的大分子展开策略，我们得到一个三维连续模型与可变的自然配置和能量函数解析推导出的微尺度材料参数。与实验的比较表明，该模型的能力来描述复杂的行为，与残余拉伸和展开的影响，观察到在不同的生物材料。
2014-07-14 cond-mat.soft
Re-orientational dynamics of ring polymers in dilute solutions
Indian Institute of Science（印度科学研究所）
研究了七种拓扑结构不同的聚合物链在无限稀释极限下的扩散动力学，发现拓扑结构显著影响旋转扩散系数，机械键的存在减缓了旋转扩散，揭示了分子拓扑对聚合物反应动力学的作用。
2025-07-12 cond-mat.soft
Cooperative Conformational Transitions in Macromolecules under Mechanical Stretching. An Exactly Solved Model for Single Molecule Experiments
University of Barcelona（巴塞罗那大学）；University of Lleida（莱里达大学）；Institute for Bioengineering of Catalunya (IBEC)（加泰罗尼亚生物工程学院）；The Barcelona Institute of Science and Technology (BIST)（巴塞罗那科学与技术研究院）
基于弹性自由连接链模型，提出一个包含两个Kuhn长度、两个弹性力常数、自由能差和最近邻相互作用能的最小参数框架，精确求解线性大分子在拉伸下的构象转变，成功再现PEG、HA和B-DNA到S-DNA的力-伸长曲线，并分析了协同性及两种驱动机制。
2026-05-29 cond-mat.soft physics.chem-ph
Thermodynamic Basis of Sugar-Dependent Polymer Stabilization: Informing Biologic Formulation Design
本研究通过粗粒化模型揭示糖对聚合物稳定性的热力学影响，发现糖浓度影响稳定化机制，为生物制剂设计提供理论依据。
2025-11-25 cond-mat.soft
Physics of Solutions and Networks of Semiflexible Macromolecules and the Control of Cell Function
活细胞是一种特殊形式的软体，但具有稳定更新其结构的能力。这两种材料性质，即在施加外部应力后形状的恢复和动态结构重组，对于许多细胞现象是必不可少的。例如组织的机械性质、细胞运动性、细胞生长和分裂以及主动细胞内运输。许多体内和体外实验表明，真核细胞具有非凡的机械和动力学特性的结构元件是细胞骨架，一种蛋白质纤维如肌动蛋白丝和微管的三维组装体。除了这些生物聚合物之外，具有结构和调节功能的各种蛋白质对机械性能具有重大影响。在相关的长度尺度（最多几微米），这些生物材料的构建模块与传统的聚合物材料非常不同。与柔性聚合物相比，持久长度与它们的总轮廓长度具有相同的数量级，甚至更大。这意味着这样一个系统的物理性质是由能量和熵贡献之间的微妙相互作用决定的。我们回顾了我们目前的理解，生物聚合物的物理学使用的概念，从大分子和统计物理学辅以计算机模拟。这些系统开辟了软凝聚态研究的新领域，迄今为止，人们对软凝聚态的理解还很有限，但对于有趣的新物理现象具有巨大的潜力。
1998-08-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Formation of structure for gas-liquid, non-equilibrium polymer media
本文研究了在含有大量气泡的高分子液体流动中，大分子在外部声场的推动下的破坏和合成机理。这些气泡的动力学被假定为通过改变流动几何形状和在流动中激发声音振荡来控制。当气泡破裂时，将发生大分子中机械诱导的动力学变化（聚合物链的破坏和合成）。
2019-06-11 cond-mat.soft physics.chem-ph
Conformational transformations induced by the charge-curvature interaction
提出了一个描述生物大分子构象动力学的唯象模型。结果表明，封闭分子聚集体的电荷和弯曲自由度之间的相互作用可以作为驱动程序给予动力的构象动力学的生物聚合物。它表明，最初的圆形聚集体可能会发生转化为多边形的形状和可能的应用程序被认为是细菌叶绿素a分子的聚集体。
2005-06-07 cond-mat.soft
Osmotic stress and pore nucleation in charged biological nanoshells and capsids
提出了一个模型系统，以调查的化学平衡和机械稳定性的生物球状纳米壳与水溶液中添加的解离电解质的给定浓度。在精确的密度泛函理论（DFT）的框架下研究了可渗透壳层上的离子化学平衡，该理论结合了传统平均场（{ \it e. g.}，Poisson-Boltzmann）极限。理论的准确性进行了测试与蒙特卡罗（MC）模拟的直接比较。一个简单的分析表达式，然后推导出清楚地突出了熵，静电，和自能贡献的渗透应力在壳的计算离子配置文件。通过调用一个连续平均场弹性的方法来解释渗透拉伸时的壳表面应力，各种各样的离子强度和表面电荷下的壳的机械平衡性能进行了研究。该模型进一步耦合到一个连续的机械方法类似的结构，经典成核理论（CNT），以解决问题的机械稳定性的壳孔成核。这使我们能够构建一个相图，该相图界定了不同离子强度和壳表面电荷的衣壳的机械稳定性。
2020-02-05 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
Rigidity and mechanical response in biological structures
本综述探讨生物系统中涌现刚性的机制，分析其数学形式与实验观测，助力识别生物系统刚性调控机制、揭示跨系统普适力学特征，为相关研究提供指导并推动新假设提出。
2025-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Enhanced microscopic dynamics in mucus gels under a mechanical load in the linear viscoelastic regime
粘液是一种生物凝胶，覆盖几种组织的表面，并确保关键的生物功能，包括作为防止脱水，病原体渗透或胃酸的保护屏障。粘液的生物功能需要在固体样和流体样机械反应之间的精细调节平衡，由粘蛋白（形成凝胶的糖蛋白）之间的可逆键保证。在活生物体中，粘液受到各种机械应力，例如由于渗透、细菌渗透、咳嗽和胃粘膜炎。然而，我们对应激对粘液影响的认识仍然是初步的，并且大多限于宏观流变学测量，没有深入了解相关的微观机制。在这里，我们同时进行机械测试，以测量猪胃粘液的微观动力学。引人注目的是，我们发现，适度的剪切应力，在宏观流变线性制度，大大提高粘液重组在微观水平上，作为信号的瞬时加速的微观动力学，由高达两个数量级。我们合理化这些发现，提出了一个简单而通用的模型下的物理凝胶的动态应变和验证其假设，通过数值模拟的弹簧网络。这些结果揭示了新的光在微观尺度上的粘液的重排动力学，从粘液清除细菌和药物渗透的现象具有潜在的影响。
2021-10-03 cond-mat.soft
Pattern formation under mechanical stress in active biological networks confined inside evaporating droplets
本研究利用蒸发液滴产生的剪切应力对微管-驱动蛋白活性网络施加机械刺激，观察到动态图案形成，并证明该装置可作为研究细胞骨架应力响应及无膜区室动力学的原创生物反应器。
2023-05-11 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
Fluctuating Nonlinear Spring Model of Mechanical Deformation of Biological Particles
我们提出了一个新的理论建模的生物颗粒的强制压痕光谱线型，它考虑了非线性赫兹变形由于压头颗粒的物理接触和弯曲变形的弯曲梁建模的颗粒结构。梁的弯曲超过临界点会触发粒子动态转变为塌陷状态，这是一种极端事件，导致力（F）-变形（X）谱中观察到的灾难性力下降。该理论解释了频谱的精细特征：FX曲线的斜率和力峰信号的位置，根据力学特性-赫兹和弯曲变形E_H和E_b的杨氏模量，以及最大强度与最强梁的强度F_b^* 和梁的失效率m的概率分布。应用该理论成功地表征了球形病毒颗粒-CCMV、TrV和AdV的$FX$曲线。
2015-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hybrid Elastic/Discrete-Particle Approach to Biomembrane Dynamics with Application to the Mobility of Curved Integral Membrane Proteins
我们引入了一种模拟策略，始终耦合连续生物膜动力学的离散生物大分子的运动内或膜上居住。该方法被用来研究的积分膜蛋白，赋予它们周围的双层上的曲率的扩散。这样的蛋白质表现出扩散系数相对于“平坦”蛋白质的大幅降低;这种效果是由基本的流体动力学考虑来解释的。
2009-05-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Control across scales: signals, information, and adaptive biological mechanical function
本研究指出物理定律不足以完全解释生物系统的感知、决策与适应等控制行为，提出控制理论可作为统一框架，用于理解生物系统在多时空尺度下远离平衡时的动力学调节与稳定性维持机制。
2025-09-03 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Origin of yield stress and mechanical plasticity in model biological tissues
本研究通过计算与理论建模揭示了上皮单层在大变形下的力学塑性起源，发现组织雪崩由应力重分布和脆弱点空间分布主导，并提出可基于静态图像预测雪崩及推断组织应力的实验框架。
2025-01-31 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A molecular perspective on the limits of life: Enzymes under pressure
从纯粹的操作角度来看，可以在极端条件下生长的微生物或“极端微生物”的存在导致了组成这些微生物的分子如何保持其结构和功能的问题。虽然生活在极端温度下的微生物已经得到了大量的研究，但生活在极端压力下的微生物却被忽视了，部分原因是在微生物的环境条件下收集样品和进行实验的困难。然而，热力学参数意味着压力的影响可能会导致不同的有机体解决方案比温度的影响。从观察上讲，这些解决方案中的一些可能是在凝聚态的性质，细胞内环境中的大分子或大分子的修复机制的遗传修饰。在这里，压力对酶的影响，这是一个有机体的生长和繁殖所必需的蛋白质，以及对这些影响的一些适应审查和放大的结果从分子动力学模拟。目的是为压力下这些系统的软物质研究提供生物学背景。
2016-03-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Focal adhesion: Physics of a Biological Mechano-Sensor
细胞和基质之间的机械耦合依赖于粘着斑，粘着蛋白簇将细胞内的应力纤维（肌动蛋白束）与周围组织连接起来。已经证明局灶性粘连可以测量和调节沿应力纤维的机械牵引。我们提出了一个定量模型的焦点粘附力传感和应力调节的基础上，应力放大的凝聚过渡的粘附蛋白的临界点。
2003-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Anomalous relaxation kinetics of biological lattice-ligand binding models
我们讨论的理论模型的合作结合动力学的配体基板，如二聚马达蛋白微管或更广泛的大分子，如原肌球蛋白肌动蛋白丝。我们研究了空间位阻、配体大小、结合速率和相邻蛋白质之间的相互作用对结合动力学和结合化学计量的影响。从一个空晶格开始，结合动力学通常会经历几个阶段。第一阶段代表快速初始结合密切类似的随机顺序吸附过程的物理。通常，这个初始过程使系统处于亚稳态锁定状态，在结合分子的块之间具有许多小间隙。在第二阶段，随着配体的分离和重新附着，间隙缓慢地消失。这导致了间隙浓度的代数衰减和有趣的标度行为。在确定与粒子的差距，我们表明，在这个政权的动态可以解释它映射到各种反应扩散模型。最后的平衡方法显示了一些有趣的动态标度性质。我们还讨论了协同效应的平衡化学计量，其后果的生化和图像重建结果的解释。
2002-06-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Mechanical fluidity of fully suspended biological cells
单个生物细胞的机械特性用于识别并可能利用细胞或细胞群之间的有趣差异。流动性-弹性固体或粘性液体的极端标准化电阻率-可以从细胞的多个流变测量中提取并进行比较：蠕变柔量与时间，复数模量与频率，相位滞后与频率。有多种策略可用于获取这种无量纲属性，流动性可以作为一个有用的和强大的参数区分细胞群，并了解软物质的变形性的物理起源。在这里，对于三种不同的真核细胞类型通过光学拉伸在悬浮状态下变形，我们研究了流动性对化学和环境影响的依赖性，时间尺度为1秒。我们发现，流动性估计是一致的，在时域和频域下的结构阻尼（幂律或分数阶导数）模型，但不是在一个等效的复杂性集总组件（弹簧阻尼器）模型，后者预测虚假的时间常数。虽然流动性被抑制的化学交联，我们发现，三磷酸腺苷（ATP）在细胞中的消耗并没有可测量地改变参数，从而得出结论，积极ATP驱动的事件是不是一个关键的推动者的流动性在线性粘弹性变形的悬浮细胞。最后，通过使用光学拉伸的能力，以产生近瞬时的细胞温度的增加，我们建立了流动性随温度的增加-现在测量在一个完全悬浮的，可分选的细胞，没有复杂的因素，细胞基质的粘附。
2013-08-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Engineering Nanoscale Biological Molecular Motors
了解生物分子马达的运作，纳米机器，电化学能量转化为机械功，是加强了自下而上的战略，以合成新的马达。
2017-05-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Data-driven geometric phase in biological locomotion
Kyoto University（京都大学）
提出理论引导的数据驱动Koopman自编码器，从噪声、稀疏的弱周期生物形状数据中恢复极限环，提取精子与线虫的形状步态和几何相位，并引入几何相位敏感函数揭示力学信息。
2026-10-09 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Cooperative folding of muscle myosins: I. Mechanical model
被动交联剂的机械诱导折叠是一种基本的生物学现象。一个典型的例子是肌球蛋白II的构象变化，负责骨骼肌中的动力冲程。在本文中，我们提出了一个非热的角度来看，这样的折叠分析最简单的纯机械原型：一个平行束的双稳态单元连接到一个共同的骨干。我们表明，在这个分析透明的模型，其特征在于一个崎岖的能源景观，基态总是高度相干，单相配置。我们认为，这种合作行为，确保集体构象变化，是由于长程相互作用的主导地位，使系统的非加性。我们的模型的详细预测是一致的实验观察到的非等效的骨骼肌加载在软，硬设备的快速力恢复。该模型显示的一些特征也可以在其他具有被动多稳定性和长程相互作用的生物系统的行为中识别，包括分离粘合剂和拉RNA/DNA发夹。
2017-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Multi-scale Mechanical Characterization of Highly Swollen Photo-activated Collagen Hydrogels
生物水凝胶由于其在生物环境中固有的生物功能性而越来越受到追捧，例如用于再生医学的伤口敷料或支架。特别是在潮湿伤口愈合中，理想的材料应吸收大量伤口渗出液，同时保持原位机械性能。然而，尽管它们具有大的水合作用，但目前的生物水凝胶在生理条件下的机械性能方面仍有许多需要改进的地方。为了应对这一挑战，提出了一种多尺度方法来合成设计具有可调机械性能（从纳米尺度到宏观尺度）、独特的高溶胀比和保留（>70%）三螺旋特征的细胞相容性胶原水凝胶。I型胶原分别用三种不同的单体，即4乙烯基苄基氯、甲基丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸酐共价官能化。骨架刚性、氢键能力和官能化程度（<i>F</i>：16 &plusmn12 &ndash91&plusmn7摩尔%）引入的部分控制了所得胶原网络中的结构-性质关系，使得溶胀比（<i>SR</i>：707 &plusmn51 &ndash1996 &plusmn182重量%），体积压缩模量（<i><sub>Ec</sub></i>：30 &plusmn7 &ndash168 &plusmn40 kPa）和原子力显微镜弹性模量（<i><sub>EAFM</sub></i>：16 &plusmn2 &ndash387 &plusmn66 kPa）容易调节。鉴于其显著的高溶胀性和机…
2014-10-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
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
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
Quantum mechanical calculation of the effects of stiff and rigid constraints in the conformational equilibrium of the Alanine dipeptide
如果对大分子施加约束，可以使用两种不等价的经典模型：刚性模型和刚性模型。本文在不作任何简化假设的情况下，研究了这种约束对模型二肽HCO-L-Ala-NH_2构象平衡分布的影响。我们使用从头算量子力学计算，包括在MP2水平的电子相关来描述系统，我们测量的构象依赖性的所有校正项天真CED的基础上出现的势能面（PES）时，考虑的约束。这些术语与质量度量张量行列式有关，也出现在Fixman的补偿势中。我们表明，一些修正是不可忽略的，如果有兴趣在整个Ramachandran空间。另一方面，如果只有能量较低的区域，包含主要的二级结构元素，被认为是相关的，那么，所有的校正项可以被忽略，直到相当长的肽。这是第一次，据我们所知，这些校正项的构象依赖性的分析是在一个相关的生物分子与现实的势能函数。
2006-12-04 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.QM
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
