Tension-induced binding of semiflexible biopolymers
我们从理论上研究了聚合物张力对可逆结合交联的集体行为的影响。为了这个目的，我们采用了两个弱弯曲蠕虫状链平行排列的张力，与一系列的链间结合位点的轮廓定期间隔的模型。可逆的交联连接在由化学势控制的亲和力的位点处附着和分离。在平均场方法中，我们计算了系统的自由能，并发现了一个自由能垒的出现，它控制着可逆的（非）约束。张力影响链的构象熵，其与交联的结合能竞争。这种竞争引起的结合位点的分数突然增加的张力增加。我们表明，这种转变是有关的交叉之间的弱和强本地化的定向聚合物在钉扎电位。到强结合状态的交叉可以被解释为交联聚合物的力硬化的机制-超过单个蠕虫状链的弹性。
2014-10-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Linear rheology of reversibly cross-linked biopolymer networks
我们提出了一个简单的模型，可逆的交联，绑定和unbinding到/从网络的半柔性聚合物。通过布朗动力学模拟计算得到的网络的频率依赖于所施加的剪切响应。它被证明是相当复杂的链接器的时间尺度与网络的激励竞争。如果连接体的寿命是最长的时间尺度，就像大多数生物网络中的情况一样，那么损耗模量会出现明显的低频峰。储能模量显示出从其平台值的相应衰减，对于不可逆交联剂，其一直延伸到静态极限。这种额外的松弛机制可以通过可逆和不可逆连接基的相对重量来控制。
2018-08-16 cond-mat.soft
Non-affine deformation of semiflexible polymer and fiber networks
已知半柔性或刚性聚合物（如大多数生物聚合物）的网络在剪切时不均匀地变形。这种非仿射变形的效果已经被证明比柔性聚合物强得多。到目前为止，我们对这种系统中的非亲和性的理解仅限于模拟或特定的非热纤维2D模型。在这里，我们提出了一个有效介质理论（EMT）的非仿射变形的半柔性聚合物和纤维网络，这是一般的二维和三维，在热和非热的限制。该模型的预测与先前的计算和实验结果线弹性。此外，我们介绍的框架可以扩展到解决非线性弹性和网络动力学。
2023-01-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modeling semiflexible polymer networks
在这里，我们提供了半柔性聚合物及其网络的理论方法的概述。这种半柔性聚合物具有大的弯曲刚度，可以与链的熵倾向竞争，以卷曲成无规卷曲。半柔性聚合物及其组装体在生物学中的重要性激发了许多研究。事实上，半柔性聚合物的交联网络形成组织和活细胞的主要结构组分。这种生物聚合物的重构网络已经成为一类新的生物软物质系统，具有显着的材料特性，这刺激了许多理论的发展，在这里讨论。从单个半柔性聚合物的力学和动力学出发，我们回顾了半柔性束、纠缠解和无序交联网络的物理。最后，我们讨论了边缘稳定的纤维网络，表现出类似于其他边缘系统，如堵塞的软物质的临界行为的最新进展。
2016-05-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Origin of slow stress relaxation in the cytoskeleton
动态交联的半柔性生物聚合物，如肌动蛋白细胞骨架，控制着活细胞的机械行为。半柔性生物聚合物响应于机械载荷而非线性地弯曲，而交联剂动力学允许随时间的应力松弛。在这里，我们表明，通过流变学和理论建模，在时间和应力相结合的非线性导致一个意想不到的缓慢应力松弛，类似于接近玻璃化转变的无序系统的动态。我们的工作表明，瞬时交联结合内应力可以解释以前的报告软玻璃状流变细胞，其中的剪切模量随频率增加弱。
2019-04-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Semiflexible Filamentous Composites
受自然界中普遍存在的复合丝状网络的启发，我们研究了由相互连接的柔软和坚硬的细丝组成的生物聚合物网络模型。三维数值模拟使我们能够探索刚性和松弛部分c_s和c_f之间的应力和应变的微观分配，并揭示了刚性聚合物的力学行为和相对分数之间的非平凡关系：当几乎没有刚性聚合物时，未膨胀的刚性"内含物“通过包围的松软基质而被保护免于大变形，而在刚性材料的更高分数下，刚性网络独立地扩展并且主导机械响应。
2010-08-30 cond-mat.soft q-bio.BM
Motor-free contractility of active biopolymer networks
动物细胞中的收缩通常由分子马达如肌球蛋白产生，其功能需要极性底物。最近的实验证据的电机独立的收缩性的动机，我们提出了一个强大的无电机的机制，可以产生收缩的生物聚合物网络，而不需要基板的极性。我们表明，收缩性是一个自然的结果，主动结合/解结合的交联剂，打破了细致平衡的原则，连同不对称的力的半柔性生物聚合物的扩展响应。我们计算得到的收缩速度使用一个简单的粗粒度模型和一个更详细的粘弹性生物聚合物网络的微观模型。我们的模型可以提供一个解释最近的报告，运动独立的收缩细胞。我们的研究结果还表明了合成活性材料产生收缩力的机制。
2022-05-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Nonlinearity-induced conformational instability and dynamics of biopolymers
我们提出了一个简单的唯象模型，通过非线性引起的屈曲和崩溃（即卷曲）的不稳定性来描述生物聚合物的构象动力学。考虑到半柔性生物聚合物链的内部和机械自由度之间的耦合，我们表明，自陷的内部激发（如蛋白质中的酰胺-I振动，DNA中的碱基对振动，或蛋白质中的极化子）可能会产生最初直链的屈曲和崩溃不稳定性。这些不稳定性在无限长的直链中仍然是潜在的，因为弯曲这样的链需要无限大的能量。然而，一旦我们考虑到更现实的情况，并考虑到链的有限长度，它们就会表现出来。在这种情况下，非线性局域模可以作为驱动程序，推动生物聚合物的构象动力学。屈曲不稳定性是负责，特别是，为大振幅的本地化弯曲波，伴随着沿链传播的非线性模式。在坍缩不稳定性的情况下，链折叠成紧凑的三维线圈。水性环境的粘性阻尼仅减慢链的折叠，但即使对于大阻尼也不会阻止链的折叠。我们发现，这些影响只有微弱的相互作用势的特性的影响，因此，他们应该是通用的不同模型的半柔性链进行非线性局部激发。
2001-08-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
A unit-cell approach to the nonlinear rheology of biopolymer solutions
我们提出了一个非线性扩展的标准管模型的自由滑动半柔性聚合物的半稀溶液。非仿射长丝变形的纠缠尺度，热波动的直接相互作用的重正化，和大变形的几何形状系统地考虑。刚性杆的非热解预测的硬化响应被发现是热抑制。相反，我们得到了一个广泛的线性响应制度，支持在聚合肌动蛋白的解决方案，在有限的频率下的剪切硬化的解释，作为耦合到纵向模式的指示。我们观察到大应变（约100%）的不稳定效应，表明剪切带是广泛观察到的体外生物聚合物溶液灾难性崩溃的合理解释，通常归因于网络损坏。结合摩擦型相互作用，我们的分析提供了一个分析上易于处理的框架，以解决生物组织的分子基础上的非线性粘塑性。
2008-09-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Anisotropic Random Networks of Semiflexible Polymers
受交联细胞骨架生物聚合物组织的启发，我们提出了一个半微观副本场论的各向异性随机网络的半柔性聚合物的形成。通过引入随机永久交联形成网络，所述随机永久交联固定相应聚合物链段的取向以彼此对齐。在增加交联密度时，我们获得了从流体相到凝胶的连续凝胶化转变，其中系统的有限部分被定位在随机位置。对于足够刚性的聚合物，这种位置定位伴随着在相同的交联密度下发生的{ \em连续}各向同性到共混（IN）转变。随着聚合物刚度的降低，IN转变变为一级，转变为更高的交联密度，并且被取向玻璃（统计各向同性非晶态固体）预结晶，其中平均聚合物取向在随机方向上冻结。
2007-10-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Thermoresponsive stiffening with microgel particles in a semiflexible fibrin network
我们报告的温度响应性软复合材料的半柔性生物聚合物网络（纤维蛋白）含有分散的微凝胶胶体颗粒的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAM），经历一个热驱动的去溶胀转变以上的低临界溶解温度（LCST）。与标准的聚合物-颗粒复合材料不同，减少颗粒的内含物体积（通过增加温度）伴随着复合材料的整体弹性刚度的显著增加。我们观察到这样的行为在一个广泛的组成空间。复合材料的弹性剪切模量在25-35°C的微小温度变化下可逆地硬化高达10倍。在隔离中，纤维蛋白网络和微凝胶悬浮液都随着温度的升高而软化，使得复合材料的硬化特别显著。我们假设硬化是由吸附在纤维蛋白丝上的微凝胶颗粒收缩并改变半柔性网络的结构引起的。我们开发了两个唯象模型，以物理上不同的方式量化这一假设，并且导出的预测与我们的实验数据定性一致
2019-01-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Normal stress anisotropy and marginal stability in athermal elastic networks
半柔性生物聚合物（如胶原蛋白）的水凝胶已被证明在剪切应变下轴向收缩，与大多数弹性材料观察到的轴向扩张相反。最近的工作表明，这种行为可以理解的多孔，双组分的性质和随之而来的时间依赖性的水凝胶的可压缩性。通过扭转流变仪测量的表观法向应力仅反映了轴向分量$σ_{zz}$在长（可压缩）时间尺度上的拉伸贡献，在短（不可压缩）时间跨越到第一法向应力差$N_1 = σ_{xx}-σ_{zz}$。虽然$N_1$的行为对于经历仿射剪切变形的各向同性粘弹性材料是很好理解的，但生物聚合物网络通常是各向异性的并且非仿射地变形。在这里，我们数值研究下产生的剪切亚均衡，无热半柔性聚合物网络的正应力。我们发现，这样的系统表现出强烈的偏差仿射行为，这些异常控制的刚性过渡作为应变的函数。
2018-12-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Loops versus lines and the compression stiffening of cells
动物和植物组织都表现出非线性流变现象，称为压缩硬化，或随着单轴压缩应变的增加而增加模量。这种现象是否存在于构成组织的单细胞中？人们期望单个细胞压缩软化，因为基于半柔性生物聚合物的细胞骨架网络保持细胞的机械完整性，并且体外半柔性生物聚合物网络通常压缩软化。相反，我们发现，小鼠胚胎成纤维细胞（mEFs）的压缩单轴压缩下，通过原子力显微镜（AFM）的研究。为了理解这一发现，我们揭示了几个潜在的机制压缩硬化。首先，我们研究了一个单一的半柔性聚合物环路建模的肌动球蛋白皮层封闭的粘性介质建模为不可压缩流体。其次，我们研究了一个二维的半柔性聚合物/纤维网络穿插面积守恒的循环，这是一个代理囊泡和基于流体的细胞器。第三，我们研究了二维纤维网络的角度约束的交联，即半柔性回路的网格规模。在后两种情况下，环充当纤维网络上的几何约束，以通过增加的角度相互作用来帮助纤维网络。我们发现，单半柔性聚合物环模型与我们的AFM实验，直到约35%的压缩应变。我们还发现，对于具有面积守恒环模型的纤维网络，应力-应变曲线对面积守恒环的填充分数和尺寸分布敏感，从而在不同的细胞类型中产生机械指纹。最后，我们将此模型与纤维蛋白网络与珠子交织的实验进行了比较，并讨论了细胞压缩硬化的组织尺度影响。
2020-07-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Tension dynamics and viscoelasticity of extensible wormlike chains
预应力半柔性生物聚合物的动态响应的特征在于张力的传播和松弛，这是由于刚性骨架的近不可伸展性而产生的。它与储存在热起伏中的轮廓长度的动力学相耦合，而且与拉伸应变的局部松弛相耦合。我们提出了一个系统的理论，但可扩展的蠕虫状链的张力动力学。我们的研究结果表明，即使是适度的预应力引起不同的罗斯一样的延伸率签名的高频粘弹性响应。
2009-07-09 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
A theory to describe emergent properties of composite F-actin and vimentin networks
合成的生物聚合物凝胶作为生物材料来模拟许多生物支架结构，这可以有助于更好地理解细胞骨架样结构构建块和软纳米技术，需要极大的兴趣。特别是半柔性的F-肌动蛋白和波形蛋白中间丝（IF）形成复杂的网络，是细胞刚度的关键调节因子。虽然F-肌动蛋白网络或IF的机制已经被表征，但这两个网络之间的相互作用在很大程度上是未知的。使用大变形流变学的实验研究表明，F-肌动蛋白和IF的共聚可以产生比纯F-肌动蛋白网络更强或更弱的复合网络。我们从理论上验证这些影响发展成一个模型的框架内的非线性连续介质力学，在其中，我们定义了一个自由能泛函考虑的作用的熵弹性的半柔性网络与瞬态交联，也是一个充满活力的术语来描述的相互作用参数，允许两个网络之间的耦合。我们通过Jensen等人对不同浓度肌动蛋白和波形蛋白的大变形流变学实验进行的测量来验证理论模型
2018-11-14 cond-mat.soft
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
Orientational order and glassy states in networks of semiflexible polymers
受交联细胞骨架生物聚合物网络结构的启发，我们研究了随机交联半柔性聚合物二维网络中的取向有序相。我们考虑永久的交联，规定了一个有限的角度，并把它们作为淬火无序在一个半微观副本场论。从未交联的聚合物和小聚合物簇（溶胶）的流体开始并增加交联密度，发生连续的凝胶化转变。在所得凝胶中，半柔性链要么显示长程取向顺序，要么冻结在随机方向上，这取决于交叉角的值，交联浓度和聚合物的刚度。交叉角$θ\sim 2π/M$导致长程$M$ -折叠取向顺序，例如，对于$θ=60^{\circ}$或$90^{\circ}$，分别为“六元”或“四元”。过渡是不连续的，临界交联密度取决于聚合物的弯曲刚度和交联几何形状：刚度越高，$M$越低，交联的临界数量越低。在溶胶和长程有序状态之间，我们总是观察到一种凝胶，它是一种统计各向同性的非晶态固体（SIAS），参与聚合物具有随机的位置和随机的取向定位。
2011-03-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Determining Microscopic Viscoelasticity in Flexible and Semiflexible Polymer Networks from Thermal Fluctuations
我们已经开发出一种新的技术来测量软材料，如聚合物溶液中的粘弹性，通过监测嵌入的探针粒子的热波动，在显微镜中使用激光干涉测量。干涉测量使我们能够获得波动珠从0.1 Hz到20 kHz的功率谱，并具有亚纳米的空间分辨率。使用线性响应理论，我们确定了频率依赖性损耗和存储剪切模量高达kHz的顺序上的频率。我们的技术措施的粘弹性响应的局部值，而不积极应变的系统，特别适合于软生物聚合物网络。我们研究了半柔性的F-肌动蛋白的解决方案，作为对照，灵活的聚丙烯酰胺（PAAm）凝胶，后者接近其凝胶化阈值。对于小颗粒，我们可以探测从宏观粘弹性到更复杂的微观动力学的转变。在宏观极限下，我们发现1和2 mg/ml肌动蛋白溶液在0.1 Hz时的剪切模量分别为G '= 0.11 +/- 0.03 Pa和0.17 +/- 0.07 Pa，接近弹性平台的开始，并且在更高频率下的标度行为与G（ω）一致，为ω ^（3/4）。对于聚丙烯酰胺，我们测量的平台模量分别为2.0，24，100和280帕的交联凝胶的2%，2.5%，3%和5%的浓度（重量/体积），在协议内的两个因素，从传统的流变学获得的值。我们还发现了G（ω）的标度为ω^（1/2）的证据，与柔性聚合物的劳斯模型的预测一致。
1997-09-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
The mechanical influence of single fibre inclusions in discrete fibre networks
半柔性生物聚合物网络通常存在于生物系统中，从细胞的细胞骨架到细胞外基质。这种网络通常以复合材料的形式自然出现，其中各种成分相互作用产生丰富的机械行为。在这项工作中，我们研究了当一个单一的纤维夹杂物被放置在两个不同的体系结构的离散纤维网络中形成的复合材料的力学。特别是，我们计算和理论上研究的力学复合材料时，被引入到Voronoi-和天皇-型网络内的非仿射制度。在这些单一夹杂物复合材料的小剪切变形，我们观察到不同的行为取决于网络几何形状的选择。这种分歧的机械响应被解释为在非仿射位移场的结构相关的差异的后果。标度法的网络能量增加，由于夹杂物的不同长度，方向和弹性性能的建议和计算验证。我们目前的夹杂物弯曲和拉伸刚度的临界值的理论预测，上述网络能量没有进一步增加观察到一个给定的剪切变形。这些预测得到了广泛的计算证据的支持。我们期望在这项工作中确定的架构差异是相关的理论研究的复杂行为的生物聚合物网络，并在实验工作中，复杂的力学已被观察到在复合纤维网络。
2018-01-17 cond-mat.soft
Broken Detailed Balance of Filament Dynamics in Active Networks
肌球蛋白马达蛋白驱动细胞肌动蛋白细胞骨架的剧烈稳态波动。内源性嵌入的半柔性细丝，如微管，或添加的细丝，如单壁碳纳米管被用作新的工具，以非侵入性地跟踪在这样的生物聚合物网络的平衡和非平衡波动。在这里，我们分析计算形状波动的半柔性探针细丝在粘弹性环境中，驱动电机活动的平衡。探针丝的横向弯曲起伏可以分解为动态简正模。我们发现，这些模式不再独立发展下的非平衡驱动。这种有效模式耦合导致构象相空间中的非零循环电流，反映了对细致平衡的破坏。我们提出的预测与这些电流相关的特征频率，并调查如何确定模式的相关性，我们发现嵌入在细胞骨架网络中的微管最近的实验是一致的运动活动的时间签名。
2016-06-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Depletion-Driven Morphological Control of Bundled Actin Networks
UT Austin Department of Physics（德克萨斯大学奥斯汀分校物理系）；UT Austin McKetta Department of Chemical Engineering（德克萨斯大学奥斯汀分校麦凯塔化学工程系）；School of Mathematical Sciences, Rochester Institute of Technology（罗切斯特理工学院数学科学学院）；Department of Biomolecular Engineering, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校生物分子工程系）；School of Physics and Astronomy, Rochester Institute of Technology（罗切斯特理工学院物理与天文学院）
通过改变聚乙二醇分子量，实验发现肌动蛋白溶液从纤维网络到束状网络的相变，并研究了相变两侧的微观和宏观性质差异。
2022-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
