西安交大徐光魁教授课题组《Nat. Commun.》: 揭示活细胞标度律流变学响应机制的自相似多级结构模型

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力学在生物体发育过程中扮演着重要角色，随着细胞生物学的快速发展，力学因素在细胞尺度上的调控作用受到越来越多的关注。在不同类型、不同状态的活细胞粘弹性响应中（图1），存在着一个统一的标度律响应。尽管已有非常多的模型用于探究细胞的流变学行为，然而，细胞标度律响应是如何自发产生的？力学在其中扮演什么样的角色？标度律指数中又蕴含着什么样的物理规律？这些问题至今尚不清楚。

图1 不同种类的细胞都展现出统一的标度律行为

本文首先建立了考虑细胞诸多组分的细胞结构模型（图2），可以模拟细胞标度律流变学响应的众多实验现象。受结构模型启发，建立了自相似的多级结构理论模型（图3），揭示了标度律流变学的形成机制，发现了细胞刚度在标度律指数变化中的调控作用，给出了标度律指数与细胞刚度的统一关系以及相应的物理规律。该模型可以自发地再现蠕变柔量随时间或复模量随频率变化的标度律响应规律，以及标度律指数与细胞刚度的普适关系。模型预测与不同类型的细胞、不同状态的细胞实验数据都相吻合。该研究表明，细胞材料普适的标度律响应主要取决于其统一的结构特征，而不是具体的分子特性。该项研究不仅可以为生物组织材料的仿生设计和应用提供理论基础，还可以为医学诊断、药物开发以及预后评估提供新的思路和理论指导。

图2 细胞的标度律流变学响应

图3 自相似的细胞多级结构模型

以上研究成果以“A hierarchical cellular structural model to unravel the universal power-law rheological behavior of living cells”为题于10月18日在线发表在《自然-通讯》上。论文第一作者为西安交通大学航天航空学院多尺度力学-医学交叉实验室博士生杭久涛，通讯作者是西安交通大学航天航空学院多尺度力学-医学交叉实验室徐光魁教授以及新加坡南洋理工大学高华健教授。该研究得到国家自然科学基金和陕西省杰出青年科学基金的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26283-y

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