粘弹性和机械塑性等力学行为如何影响细胞行为？

组织和细胞外基质（ECM）是细胞生存和功能的关键组成部分，它们不仅提供细胞生长和迁移的结构支撑，还通过其力学特性影响着细胞的形态、功能和行为。组织和ECM并非简单的材料，它们展现出复杂且多样的力学行为，包括粘弹性、机械塑性和非线性弹性，这些特性共同塑造了细胞所处的微环境，并对细胞行为产生深远的影响。本文主要内容包括：

1．粘弹性

2．机械塑性

3. 非线性弹性

*本文只作文献阅读笔记*

1．粘弹性

粘弹性是组织和ECM的一个普遍特性，它体现了材料对时间依赖性载荷或变形的响应。粘弹性材料在受到机械扰动时会立即产生弹性响应，随后逐渐产生时间依赖性的力学响应和能量耗散。这种特性类似于我们熟悉的果冻，在受到外力时会发生形变，但随后逐渐恢复原状。

粘弹性材料表现出蠕变和应力松弛两种行为：

蠕变：材料在恒定载荷下随时间逐渐变形。例如，在粘弹性水凝胶中，细胞可以通过扩展其体积来克服机械限制，从而实现生长和增殖。

应力松弛：材料在恒定变形下随时间降低应力水平。例如，在组织损伤后，ECM的粘弹性会发生改变，影响组织的修复和再生。

粘弹性材料的响应介于完全弹性材料和完全粘性流体之间，其储能模量和损耗模量决定了材料的弹性性能和粘性性能。这些参数通常随频率变化而变化，反映了材料在不同时间尺度上的行为。例如，大脑组织表现出明显的粘弹性行为，而骨骼组织则具有更高的储能模量和较低的损耗模量。这些差异反映了不同组织在结构和功能上的差异。

为了更准确地描述粘弹性材料的特性，研究者们建立了多种粘弹性模型，例如 Maxwell 模型、Kelvin-Voigt 模型、三参数模型和粘弹性有限元模型。这些模型可以根据实验数据来拟合材料的粘弹性特性，并预测材料在不同条件下的行为。测量粘弹性材料特性的方法有多种，例如应力松弛测试、蠕变测试、动态力学分析（DMA）、振荡剪切测试和磁共振弹性成像（MRE）。这些方法可以测量材料的储能模量、损耗模量、蠕变率、应力松弛率等参数，从而全面了解材料的粘弹性特性。

2. 机械塑性

机械塑性是指材料在施加超过屈服应力的载荷后会发生永久变形的特性。这意味着材料在受力后会保持一定的形变，即使去除载荷后也不会完全恢复原状。机械塑性材料的例子包括陶土和牙膏，它们在受到外力时会变形，但随后保持变形状态。

组织的机械塑性可能是由多种机制共同作用的结果，包括：

弱键的形成和断裂： 胶原和纤维蛋白网络中的弱键在受力时会发生断裂，随后重新形成，导致材料发生塑性变形。

聚合物缠结： 胶原纤维和细胞外液中的分子缠结在受力时会发生解开，随后重新缠结，导致材料发生塑性变形。

蛋白质展开：蛋白质分子在受力时会发生展开，随后重新折叠，导致材料发生塑性变形。

为了描述机械塑性材料的特性，研究者们建立了多种机械塑性模型，例如线性弹性-塑性模型、幂律模型、广义幂律模型和连续介质力学模型。这些模型可以根据实验数据来拟合材料的屈服应力、应变硬化率和应力-应变关系，并预测材料在不同条件下的行为。测量机械塑性材料特性的方法有多种，例如单轴拉伸测试、压缩测试和断裂测试。这些方法可以测量材料的屈服应力、应变硬化率、断裂强度和断裂韧性等参数，从而全面了解材料的机械塑性特性。

细胞可以通过改变其细胞骨架结构和产生细胞外力来响应ECM的机械塑性。例如，在粘塑性水凝胶中，细胞可以通过扩展其体积来克服机械限制，从而实现生长和增殖。此外，细胞还可以通过产生细胞外力来重塑ECM，从而影响组织的结构和功能。

3. 非线性弹性

非线性弹性是指材料的应力-应变关系不是简单的线性关系，而是随着应变的增加而变得更加困难。这类似于我们熟悉的弹簧，在拉伸初期容易变形，但随着应变的增加，变形越来越困难。

组织的非线性弹性可能是由多种机制共同作用的结果，包括：

胶原纤维的排列： 胶原纤维在受力时会沿着最大拉伸方向排列，导致材料的刚度增加。例如，肌动蛋白凝胶在拉伸时表现出应变硬化行为，这意味着随着应变的增加，凝胶的刚度也会增加。这种特性可以帮助细胞在拉伸环境中保持形状和稳定性。

细胞骨架的变形：细胞骨架在受力时会发生变形，导致材料的刚度增加。

熵弹性：细胞骨架的半刚性特性会导致其具有熵弹性，即随着应变的增加，材料的刚度也会增加。

为了描述非线性弹性材料的特性，研究者们建立了多种非线性弹性模型，例如胡克-定律模型、应变硬化模型、幂律模型和广义幂律模型。这些模型可以根据实验数据来拟合材料的应力-应变关系，并预测材料在不同条件下的行为。测量非线性弹性材料特性的方法有多种，例如单轴拉伸测试、压缩测试和动态力学分析（DMA）。这些方法可以测量材料的储能模量、损耗模量、屈服应力、应变硬化率和应力-应变关系等参数，从而全面了解材料的非线性弹性特性。

总结：

组织和细胞外基质（ECM）的复杂力学行为是一个多学科交叉的研究领域，涉及材料科学、生物力学、细胞生物学和医学等多个学科。

参考文献

Chaudhuri O, et al. Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour. Nature. 2020 Aug;584(7822):535-546.