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
Thermodynamic equilibrium of biological macromolecules under mechanical constraints
平衡蛋白质和其他生物大分子是这种生物系统的分子动力学模拟的基础，在这种生物系统中，它们在没有任何外部施加的机械约束的情况下执行自由动力学，直到与周围环境达到热力学平衡。然而，在一些重要的情况下，我们必须平衡的利益系统中不断存在的某些约束，被称为约束平衡在本工作中。这种类型的一个清楚的例子是单个淀粉样蛋白\b{eta}链或RNA，当反应坐标被定义为链两端之间的距离时，我们感兴趣的是进行复制交换伞形采样，以绘制相关的自由能谱作为相关的依赖量。在这种情况下，每个样品必须在两端固定的情况下平衡。在这里，我们引入了一个模拟技巧，使用转向分子动力学来执行这种所谓的约束平衡。然后，我们应用该方法平衡具有固定末端的淀粉样蛋白β十二聚体原纤维的单个拉伸的\b{eta}链。研究了总能量和实际固定的SMD原子在总时间跨度上所受的力的相关曲线，广泛地支持了这种平衡的有效性。
2021-02-09 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
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
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
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
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
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
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
Reversible signal transmission in an active mechanical metamaterial
机械超材料被设计成能够实现独特的功能，但通常受到初始能量状态的限制，并且需要独立的能量输入来重复发挥作用。我们的研究介绍了一种理论上的主动机械超材料，它结合了生物反应机制，以克服被动超材料的这一关键限制。我们的材料允许可逆的机械信号传输，其中能量通过生物动力反应机制重新引入。通过分析离散模型的粗粒度连续模拟，我们发现信号可以通过行波在材料中传播。连续模型的分析提供了允许信号传输的参数空间的区域，并揭示了与著名的FitzHugh-Nagumo系统的相似之处。我们还发现明确的公式，近似的反应机制的时间尺度上的信号传输速度，这是必不可少的控制材料的效果。
2019-06-11 cond-mat.soft physics.app-ph
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
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
Adaptive hydrogels with spatiotemporal stiffening using pH-modulating enzymes
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
研究通过pH调节酶驱动的水凝胶实现自适应机械响应，揭示化学波与机械波的耦合机制，展示材料在局部刺激下的自适应刚性增强。
2026-03-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Active chemo-mechanical solitons
ESPCI Paris（巴黎高等物理化工学院）；University of Galway（戈尔韦大学）
该研究提出了一种由纯化学信号引导的主动化学力学孤立波，展示了化学活性高效驱动机械信号的机制。
2025-11-22 cond-mat.soft
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
A new device for live cell imaging of biological samples under in-plane shear
Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPIDS)（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Pune（印度科学教育与研究学院浦那分校）；University of Göttingen（哥廷根大学）；Cornell University（康奈尔大学）
该研究针对面内剪切变形细胞成像装置不足的问题，开发了可对单细胞及汇合细胞单层施加均匀可控面内剪切并同步成像的新型装置，经表征验证其性能可靠，为相关生物物理研究提供了工具支持。
2026-10-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.ins-det
Synthesis, characterization, and biological evaluation of gelatin-based scaffolds
本论文介绍了熵弹性明胶为基础的网络的薄膜或支架的形式的发展。该材料具有良好的生物医学应用前景，特别是在骨再生方面。制备了具有不同交联密度的熵弹性明胶基水凝胶膜，其具有定制的机械性能。明胶在高于其溶胶凝胶转变的水溶液中共价交联，这抑制了明胶链的螺旋度。制备了溶胀度和湿态杨氏模量可调的非晶薄膜。利用这种散装材料获得的知识被转移到发泡和交联的集成过程中，以获得多孔明胶基支架。在皂苷存在下使明胶溶液发泡，并通过与二异氰酸酯化学交联固定所得泡沫。在干燥状态下通过微计算机断层成像（μCT，孔隙率：65 \pm 11-73 \pm 14体积%）分析支架，和扫描电子显微镜（SEM，孔径：117 \pm 28-166 \pm 32 μm）。在用水平衡后，支架是形状稳定的，并且在去除机械载荷后显示形状恢复。的组合物依赖的压缩模量（Ec：10 - 50 kPa）相媲美的体积微机械杨氏模量，这是通过原子力显微镜（AFM）测量。可以调整水解降解曲线，并观察到机械性能的受控降低。体外细胞毒性和免疫反应分析。用L929细胞进行间接粘附试验，以获得完全细胞相容的支架。此外，在体外研究了材料免疫应答。通过使用低内毒素明胶并在洁净室中进行所有合成步骤，成功实现了最小的材料内毒素污染（<0.5 EU/mL）。
2011-01-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Viscoelastic materials are most energy efficient when loaded and unloaded at equal rates
本研究针对生物弹簧与合成弹性体，通过动态力学分析发现对称加载卸载速率下机械效率最高，并用无拟合参数的广义一维Maxwell模型解释了速率非对称性及弛豫谱对效率的影响。
2023-11-21 cond-mat.soft
Design and optimization of in situ self-functionalizing stress sensors
Sorbonne University, CNRS, Laboratoire Jean Perrin, LJP（索邦大学）；Sorbonne University, CNRS, Inserm, Institut de Biologie Paris-Seine, IBPS（索邦大学）
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
Infrasonic wave propagation in ultrasoft solids at low Reynolds numbers
弹性波在软材料中的传播在机械信号的时空传输中起着至关重要的作用，例如在生物机械传导或边缘固体的失效中。在高雷诺数$Re \gg 1$下，惯性占主导地位，并且可以容易地观察到波的传播。然而，软材料和生物材料中的机械提示通常发生在低$Re$时，其中波被过阻尼。低$Re$波不仅在实验中难以观察，而且其理论描述仍然不完整。在本文中，我们提出了直接测量的低$Re$波在有序和无序的软固体中传播，产生的振荡点力诱导的光阱。我们推导出一个低$Re$波传播的解析理论，这是非常符合实验。我们的研究结果提出了一种新的方法来表征波在软固体中的传播和理论框架，以了解本地化的机械信号如何引起远程和延迟的响应。
2019-07-24 cond-mat.soft
Ideal Glasses and Protein Network Dynamics
优化的无机玻璃，小的生物分子和蛋白质的灵活性之间的定量拓扑类比表明，平均场估计的内应力是有用的，在确定机制，支持生活材料和它们的酶的产品。这些类比预示着新兴的蛋白质动力学的最低限度的灵活性模型。应用海藻糖，最佳的生物保护材料，导致一个非常简单的机械模型，密切平行的机械效应中观察到的类蛋白质。
2005-06-01 cond-mat.soft
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
