Activity-dependent self-regulation of viscous length scales in biological systems
细胞皮质是细胞膜下方的高粘性薄细胞质层，控制细胞的机械性能，其特征在于流体力学长度尺度$\ell$。细胞通过力产生分子如肌球蛋白II的活性主动调节$\ell$。在这里，我们通过粗粒度的流体动力学方法，包括在静态描述的系统提供了一个实验上可访问的参数和阐明的详细机制，一个活的系统如何能够积极地自我调节其流体动力学长度尺度，控制系统的刚性，这样的系统开发了一个通用的理论。值得注意的是，我们发现，$\ell$，作为一个功能的活动，行为普遍和大致成反比的系统的活动。我们的理论合理化的一些实验结果不同的系统和我们的理论与现有的实验数据比较显示出良好的一致性。
2018-04-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Size control guidelines for chemically active droplets
Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）
本文提出了一种通过化学反应控制液滴尺寸的理论框架，揭示了两种不同类别的尺寸控制机制，并确定了液滴变小的参数范围。
2025-12-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Self-organization and shape change by active polarization in nematic droplets
细胞内发生的积极力量可以驱动涉及自发组织和形状变化的关键生物过程，如细胞分裂。最近在体外实验的细胞骨架丝和电机，自组织和分裂的微滴的动机，我们提出了一个最小的流体动力学模型，结合了非平衡动力学的电机丝的相互作用与平衡微相分离。马达在液滴内组织，并将细丝结构化成极化的星状缺陷。在大的运动活动中，它们甚至可以使液滴变形或分裂，或形成多星状液滴链。我们预测的相图概括了这些实验观察到的形状。
2021-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Rules for biological regulation based on error minimization
基因表达的控制涉及复杂的机制，在设计上表现出很大的变化。例如，基因可以通过激活物的结合（阳性对照）或阻遏物的解结合（阴性对照）来开启。是什么决定了每个基因控制模式的选择？这项研究提出了规则的基因调控的基础上的假设，自由监管网站暴露于非特异性结合错误，而网站结合到他们的同源监管机构的保护错误。因此，所选机制在大部分时间内将网站绑定到其指定的监管机构，从而最大限度地减少健身减少错误。这为经验证明的Savageau需求规则提供了解释：在自然环境中经常需要的基因往往受到激活因子的调节，而很少需要的基因往往受到阻遏因子的调节;在这两种情况下，位点在大多数时间内都是结合的，错误最小化。误差最小化的适应性优势似乎是容易选择的。本方法还可以生成多调节器系统的规则。误差最小化框架提出了几个实验验证的假设。它也可以应用于其他生物调节系统，如涉及蛋白质相互作用的那些。
2010-07-26 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.GN
Theory of droplet ripening in stiffness gradients
液-液相分离是划分细胞的细胞质的重要机制，允许生存所必需的组分的动态组织。然而，目前尚不清楚相分离是如何受到细胞内复杂的粘弹性环境的影响。在这里，我们从理论上研究刚度梯度如何影响液滴的生长和排列。我们表明，刚度梯度意味着浓度梯度在稀相，运输液滴材料从硬到软的区域。因此，液滴在刚性区域溶解，产生溶解前沿。使用平均场论，我们预测，前面出现的弹性曲线的曲率是大的，它扩散传播。这种弹性熟化可以比经典的奥斯特瓦尔德熟化快得多的速率发生，从而驱动动力学。我们的工作显示了弹性性质的梯度如何控制液滴的大小和排列，这在软物质物理学中具有潜在的应用，并在生物细胞内发挥作用。
2020-01-31 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Walking droplets, swimming microbes: on memory in physics and life
一个细菌在试管里游来游去，四处寻找食物。在一个振动的浴缸的表面上，一滴水滴开始行走。在Couder的液滴实验中出现的物理记忆和细菌的生物记忆之间有一定的相似性，但主要是不同之处。它作为一个起点，对生命物质的多层次、循环记忆进行了简短的透视和推测。
2020-11-22 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.PE
Chemotaxis of cell aggregates: morphology and dynamics of migrating active droplets
University of Oxford（牛津大学）；University College London（伦敦大学学院）
研究通过建立活性液滴模型，揭示了细胞团在趋化作用下形态转变的机制及影响因素。
2026-02-23 cond-mat.soft math.AP physics.bio-ph
The intertwined physics of active chemical reactions and phase separation
相分离是热力学过程，解释了液滴如何在多组分流体中形成。这些液滴可以提供受控的隔室以局部化化学反应，并且反应也可以影响液滴的动力学。这篇评论的重点是紧密的相互作用之间的相分离和化学反应源于热力学约束。特别地，简单的质量作用动力学不能描述化学反应，因为相分离需要非理想流体。相反，热力学意味着被动化学反应降低了相图的复杂性，并且对系统的行为仅提供有限的控制。然而，使用外部能量输入来产生空间通量的驱动化学反应可以绕过热力学约束。这种活性系统可以抑制典型的液滴粗化，控制液滴尺寸，并定位液滴。这篇综述为描述相分离系统中的活性化学反应提供了一个可扩展的框架，这为改善技术应用中的控制和理解生物细胞中的自组织结构奠定了基础。
2022-09-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Heterogeneous Nucleation and Growth of Sessile Chemically Active Droplets
本研究通过连续场论和数值模拟，发现化学反应抑制液滴成核而吸引性壁增强成核，二者耦合导致偏离球形帽的形态，对理解细胞及化学工程应用有重要意义。
2024-03-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Gas Dynamic Virtual Nozzle for Generation of Microscopic Droplet Streams
如Ganan-Calvo及其同事所示，自由液体射流可以通过由同向流动的气体施加的气体动力在瞬间被压缩，从而避免了对固体喷嘴的需要以形成微观液体射流，从而减轻了困扰常规小直径液滴源的堵塞问题。本文描述了一种新形式的液滴光束源的基础上，这一原则。该源是微型的，坚固的，可靠的，易于制造，并且非常适合于将微观液滴（包括水合生物样品）输送到真空中，以使用真空仪器进行分析。通过用压电致动器触发装置来产生单分散、单列液滴流。该装置基本上不会堵塞。
2008-03-28 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Cell detachment and label-free cell sorting using modulated surface acoustic waves (SAW) in droplet-based microfluidics
我们提出了一种基于液滴的表面声波（SAW）系统，该系统设计用于从表面分离生物细胞，并根据粘附强度（粘附对比度）的差异对细胞类型进行分类，而不需要用分子标记物标记细胞。该系统使用调制SAW在液滴中产生脉动流，并有效地分离细胞，从而最大限度地减少SAW激发功率和暴露时间。作为原理证明，该系统显示出基于粘附对比度从A7r5细胞中有效地分选HEK 293。结果在几分钟内获得，分选纯度和效率分别达到97%和95%。
2014-07-01 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Chemically Active Liquid Bridges Generate Repulsive Forces
本文研究具有持续化学周转的活性液桥，发现化学反应控制液桥半径并产生纯排斥力，揭示化学活性可根本改变液桥力学并可能被细胞利用。
2025-09-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Spatial Organization of Phase-separated DNA Droplets
本文研究DNA纳米星相分离液滴的自发超均匀结构，揭示其源于近平衡布朗运动，并证明该现象普遍适用于经历布朗运动的相分离体系，为液滴组织机制及超材料应用奠定基础。
2023-07-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Generic temperature compensation of biological clocks by autonomous regulation of catalyst concentration
生物钟普遍存在于从细菌到多细胞生物体的生命形式中，通常表现出内在的温度补偿;尽管反应系数的预期Arrhenius形式，但生物钟振荡器的周期在生理温度范围内保持恒定。观察表明，振荡的幅度取决于温度，但周期不-这表明，虽然不是每个反应步骤都与温度无关，但包括几个反应的整个系统仍然表现出补偿。我们提出了一个一般的机制，这样的温度补偿。考虑一个具有多个反应活化能势垒的系统，其中一个共同的酶在具有较高活化能的几个反应步骤中共享。如果温度不高，这些反应步骤会限制循环的速率。如果酶的总丰度是有限的，那么随着更多的底物与共同酶结合，可用于催化特定反应的游离酶的量减少。我们表明，这种变化的自由酶丰度补偿Arkenius型温度依赖性的反应系数。以生物钟与蓝藻蛋白KaiABC组成的几个磷酸化位点的例子，我们表明，这种温度补偿机制确实是有效的。具体而言，如果磷酸化的活化能大于去磷酸化的活化能，则磷酸化反应之间共享的KaiA的竞争导致温度补偿。此外，以一个更简单的模型，我们证明了建议的补偿机制的一般性，这不仅与生物钟有关，而且与其他（生物）化学振荡器也有关。
2011-12-24 physics.bio-ph q-bio.MN
Modelling Elastically-Mediated Liquid-Liquid Phase Separation
本文提出了弹性网络中液-液相分离的连续介质理论，在弹性网络中，富含一种流体成分的相分离的微观液滴可以作为流体混合、液滴成核、网络变形、热力学波动、\emph{etc}的相互作用而形成。我们发现相分离液滴的尺寸随$\sim[\mathrm{modulus}]^{-1/3}$形式的弹性网络的剪切模量的增加而减小，而液滴的数密度随剪切模量$\sim[\mathrm{modulus}]$的增加几乎呈线性增加，这一结果得到了实验观察的验证。提供了（流体组成、混合物相互作用、网络模量）空间中的相图，这有助于理解生物细胞中类似的相分离，也有助于指导具有所需相性质的合成细胞的制备。
2020-08-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Ion-impact-induced multifragmentation of liquid droplets
探讨了高能离子穿越液滴的不稳定性。这种不稳定性是由离子引起的预期冲击波引起的。建议观察具有高线性能量转移的离子穿过的小液滴的多重碎裂，以证明冲击波的存在。一些影响进行了分析，努力找到这样一个实验的条件是显着的。冲击波的存在至关重要地影响离子辐射损伤的情况，因为冲击波显著地促进生物分子的热机械损伤以及活性物质的运输。虽然生物实验的分析支持了这一假设，但冲击波尚未被直接观察到，尽管在会议上交换了一些检测它们的实验想法。
2017-02-22 physics.bio-ph physics.med-ph
Simulating the chromatin mediated phase separation of model proteins with multiple domains
我们进行模拟的系统包含简单的模型蛋白质和一个聚合物代表染色质。我们研究了蛋白质-蛋白质和蛋白质-染色质相互作用之间的相互作用，以及由于液-液相分离或通过“桥接诱导吸引”机制而产生的冷凝物。对于多价相互作用的蛋白质，我们得到了一个相图，其中包括液体状液滴，液滴与吸收的聚合物，和涂层聚合物制度。特别令人感兴趣的是蛋白质液滴仅由于与聚合物的相互作用而形成的方案;在这里，与标准相分离系统不同，液滴密度而不是尺寸随着总蛋白质浓度而变化。我们还观察到液滴内的蛋白质动力学随着染色质被吸收而减慢。如果蛋白质-蛋白质相互作用具有严格限制的化合价，则观察到分形或凝胶状缩合物。总之，这为活细胞中蛋白质-染色质凝聚物的性质提供了生物学相关的见解。
2021-07-30 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Theory of Wetting Dynamics with Surface Binding
本文通过非平衡热力学推导表面结合与体相耦合的润湿动力学方程，发现表面结合通过在表面内成核液滴加速润湿，并揭示二维表面液滴可通过结合亲和力调控液滴润湿动力学。
2024-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Structural Controllability to Unveil Hidden Regulation Mechanisms in Unfolded Protein Response: the Role of Network Models
本研究将复杂网络的结构可控性分析应用于未折叠蛋白反应网络，通过构建多个基于蛋白质相互作用数据库的网络模型，识别出与已知内质网应激传感器匹配的关键驱动节点，证明了结构可控性是研究生物信号通路的可靠定量工具。
2023-02-18 physics.bio-ph q-bio.MN
Cooperation in Microbial Populations: Theory and Experimental Model Systems
合作行为，即为他人提供利益的代价高昂的行为，在生活的各个领域都很常见。这篇综述文章讨论了微生物世界中的合作行为，介导的交换胞外产品称为公共产品。我们专注于模型物种的公共产品的生产和相关的生产细胞的生长劣势进行了很好的描述。为了揭示生物和生态因子〈动〉促进合作性状的出现和稳定，我们采取跨学科的角度和审查的见解从数学模型和良好控制的实验模型系统。从理论上讲，我们将微生物生活周期〈动〉<动>的关键方面纳入我们的分析，特别是考虑种群结构，其中局部社区（亚种群）的集合不断出现，增长，并再次消失。在生物学上，我们明确考虑公共产品生产的综合和调节。理论方法的讨论包括一般的进化概念，种群动力学和演化博弈论。作为一个具体的，但一般的生物学的例子，我们认为人口的恶臭假单胞菌和它的调节和利用绿脓菌素，铁清除分子。审查结束时，在空间扩展系统的合作概述，并提供了一个重要的评估所讨论的实验和理论研究的见解。当前的挑战和重要的新的研究机会进行了讨论，包括公共产品的生化调节，更现实的生态场景类似原生环境，细胞到细胞的信号，和多物种社区。
2019-09-25 physics.bio-ph q-bio.PE
Separation of ionic timescales explains dynamics of cellular volume regulation
本研究提出离子时间尺度的分离机制来解释细胞体积调节动力学，将体积变化分为由Cl$^-$泄漏主导的快速调整和由Na$^+$泄漏约束的缓慢适应两阶段，理论预测与HeLa细胞渗透压休克和中性粒细胞激活实验结果一致。
2025-04-29 physics.bio-ph
Auto-ICell: An Accessible and Cost-Effective Integrative Droplet Microfluidic System for Real-Time Single-Cell Morphological and Apoptotic Analysis
本研究提出集成3D打印微流控芯片与图像分析算法的Auto-ICell系统，可高通量生成包裹细胞的均匀液滴，快速定量分析单细胞形态与凋亡，低成本且易用，在多生物医学领域具有应用潜力。
2023-11-06 eess.IV physics.bio-ph
