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西安交通大學科研人員在活性軟材料力學領域取得重要進展
2022-05-26 09:21
西安交通大學
作者:

  細(xi)(xi)胞(bao)是(shi)一種(zhong)活性(xing)軟材(cai)料,表(biao)現出兼(jian)具固體(ti)彈性(xing)和流體(ti)粘性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)(li)學(xue)特(te)性(xing)。諸多實驗表(biao)明,在(zai)(zai)較(jiao)低的(de)(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率范圍內,細(xi)(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)(de)(de)復模(mo)(mo)(mo)量(liang)是(shi)關(guan)(guan)于(yu)頻(pin)(pin)率的(de)(de)(de)(de)(de)弱(ruo)冪(mi)律形(xing)式。然而,隨(sui)著頻(pin)(pin)率的(de)(de)(de)(de)(de)進一步增加(jia),細(xi)(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)(de)(de)復模(mo)(mo)(mo)量(liang)與頻(pin)(pin)率之間的(de)(de)(de)(de)(de)弱(ruo)冪(mi)律關(guan)(guan)系被打破(po),耗(hao)能模(mo)(mo)(mo)量(liang)對頻(pin)(pin)率的(de)(de)(de)(de)(de)依(yi)賴高于(yu)儲能模(mo)(mo)(mo)量(liang)。目前,關(guan)(guan)于(yu)細(xi)(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)(de)(de)粘彈性(xing)力(li)(li)學(xue)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)研究主要考慮其(qi)在(zai)(zai)階(jie)躍應(ying)(ying)力(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)、階(jie)躍應(ying)(ying)變(bian)(bian)作用(yong)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)松(song)弛響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)以及其(qi)在(zai)(zai)低頻(pin)(pin)情(qing)況下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)復模(mo)(mo)(mo)量(liang)變(bian)(bian)化,針對細(xi)(xi)胞(bao)高頻(pin)(pin)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)粘彈性(xing)力(li)(li)學(xue)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)研究較(jiao)少。此(ci)外,細(xi)(xi)胞(bao)在(zai)(zai)低頻(pin)(pin)和高頻(pin)(pin)下(xia)粘彈性(xing)力(li)(li)學(xue)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)差異以及其(qi)潛在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成機制尚不清(qing)楚。

細胞的自相(xiang)似多級結構模型(xing)

  為(wei)了探究細(xi)(xi)胞(bao)(bao)在不同頻(pin)(pin)率(lv)尺度(du)下(xia)的流(liu)變學行為(wei),西安交通大學徐光魁(kui)教授團隊通過考慮細(xi)(xi)胞(bao)(bao)骨架的多(duo)(duo)級結(jie)構(gou)特征(zheng)(zheng),建立了細(xi)(xi)胞(bao)(bao)的自相(xiang)似(si)多(duo)(duo)級結(jie)構(gou)模型。結(jie)合實驗結(jie)果發現,在低頻(pin)(pin)率(lv)下(xia),細(xi)(xi)胞(bao)(bao)的儲能(neng)模量(liang)(liang)和耗能(neng)模量(liang)(liang)均(jun)表現出對(dui)頻(pin)(pin)率(lv)的弱冪律(lv)依賴(lai)性(xing);在高頻(pin)(pin)下(xia),儲能(neng)模量(liang)(liang)近(jin)似(si)為(wei)常數,而(er)耗能(neng)模量(liang)(liang)與(yu)頻(pin)(pin)率(lv)成(cheng)線性(xing)關(guan)系。此外,自相(xiang)似(si)多(duo)(duo)級結(jie)構(gou)模型的轉(zhuan)折頻(pin)(pin)率(lv)可以描述不同細(xi)(xi)胞(bao)(bao)狀態或(huo)類型的粘彈(dan)性(xing)力(li)學響應差異(yi),還(huan)可以定(ding)量(liang)(liang)地表征(zheng)(zheng)惡性(xing)腫(zhong)瘤細(xi)(xi)胞(bao)(bao)與(yu)健康細(xi)(xi)胞(bao)(bao)的差異(yi)。

自相似(si)多級結構模型在不同頻(pin)率下的流變學行(xing)為

人氣道平滑肌細胞、支氣管上皮(pi)細胞在不同(tong)頻(pin)率尺度下的粘彈性力學(xue)響應及其分區

  本(ben)研究通過(guo)對模(mo)(mo)型的(de)簡化(hua)并結合多種(zhong)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)試驗(yan)結果得到了(le)(le)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)在頻(pin)(pin)(pin)域(yu)(yu)(yu)(yu)內(nei)(nei)的(de)完整(zheng)的(de)動(dong)力(li)學(xue)特(te)性,給出(chu)(chu)了(le)(le)不同的(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)或者(zhe)時間尺度(du)上細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)動(dong)力(li)學(xue)行為(wei)的(de)支(zhi)配機制。此(ci)外,本(ben)研究以人氣道平滑肌細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)和支(zhi)氣管上皮細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)為(wei)例,給出(chu)(chu)了(le)(le)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)在頻(pin)(pin)(pin)域(yu)(yu)(yu)(yu)內(nei)(nei)的(de)流變學(xue)特(te)性的(de)區域(yu)(yu)(yu)(yu)劃分(fen)示(shi)意圖。總體來看,細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)在整(zheng)個頻(pin)(pin)(pin)率(lv)范圍內(nei)(nei)的(de)流變行為(wei)可以分(fen)為(wei)三個區域(yu)(yu)(yu)(yu):損(sun)耗(hao)角正(zheng)切(qie)為(wei)常值(zhi)(區域(yu)(yu)(yu)(yu)I),損(sun)耗(hao)角正(zheng)切(qie)大于(yu)(yu)1(區域(yu)(yu)(yu)(yu)III)以及過(guo)渡區域(yu)(yu)(yu)(yu)(區域(yu)(yu)(yu)(yu)II)。區域(yu)(yu)(yu)(yu)I中(zhong),細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)儲能(neng)(neng)模(mo)(mo)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)和耗(hao)能(neng)(neng)模(mo)(mo)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)均(jun)表現出(chu)(chu)對頻(pin)(pin)(pin)率(lv)的(de)弱冪律(lv)依(yi)賴。在區域(yu)(yu)(yu)(yu)II中(zhong),頻(pin)(pin)(pin)率(lv)進一步增(zeng)加,損(sun)耗(hao)角正(zheng)切(qie)也隨(sui)之增(zeng)加,耗(hao)能(neng)(neng)模(mo)(mo)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)表現出(chu)(chu)遠(yuan)高于(yu)(yu)儲能(neng)(neng)模(mo)(mo)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)增(zeng)加速度(du)。在區域(yu)(yu)(yu)(yu)II中(zhong),盡管細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)標度(du)律(lv)指數仍小于(yu)(yu)0.5,但是其表現出(chu)(chu)了(le)(le)由更(geng)(geng)像固體的(de)特(te)性向(xiang)更(geng)(geng)像流體特(te)性的(de)轉變趨勢(shi)。在區域(yu)(yu)(yu)(yu)III中(zhong),耗(hao)能(neng)(neng)模(mo)(mo)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)高于(yu)(yu)儲能(neng)(neng)模(mo)(mo)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)高,此(ci)時,細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)開始表現出(chu)(chu)更(geng)(geng)接(jie)近(jin)流體的(de)性質。隨(sui)著(zhu)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)的(de)進一步增(zeng)加,儲能(neng)(neng)模(mo)(mo)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)逐漸趨近(jin)于(yu)(yu)常值(zhi),而耗(hao)能(neng)(neng)模(mo)(mo)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)則正(zheng)比于(yu)(yu)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)。

  本研究通(tong)過對(dui)比癌(ai)變細胞(bao)(bao)和正(zheng)常細胞(bao)(bao)在頻域(yu)內的(de)(de)流(liu)(liu)變學(xue)行(xing)(xing)為發現,惡性(xing)(xing)(xing)(xing)腫(zhong)瘤細胞(bao)(bao)的(de)(de)粘性(xing)(xing)(xing)(xing)系(xi)(xi)數與正(zheng)常細胞(bao)(bao)相比略有減小,惡性(xing)(xing)(xing)(xing)腫(zhong)瘤細胞(bao)(bao)骨(gu)架(jia)(jia)的(de)(de)紊亂和解聚導致了細胞(bao)(bao)骨(gu)架(jia)(jia)三(san)維網(wang)絡結(jie)構的(de)(de)極(ji)大破壞,使(shi)得三(san)級結(jie)構的(de)(de)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)(xing)模(mo)(mo)(mo)量從2.46 kPa幾乎下(xia)降到0。除了彈(dan)性(xing)(xing)(xing)(xing)模(mo)(mo)(mo)量之(zhi)外,本研究還(huan)發現二者的(de)(de)轉折(zhe)頻率(lv)也具(ju)有明顯的(de)(de)差異(yi),惡性(xing)(xing)(xing)(xing)腫(zhong)瘤細胞(bao)(bao)的(de)(de)轉折(zhe)頻率(lv)遠遠高于普通(tong)細胞(bao)(bao)的(de)(de)轉折(zhe)頻率(lv)。使(shi)用自相似多級結(jie)構模(mo)(mo)(mo)型對(dui)腫(zhong)瘤細胞(bao)(bao)的(de)(de)流(liu)(liu)變學(xue)特性(xing)(xing)(xing)(xing)進(jin)行(xing)(xing)表征可以用力(li)學(xue)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)參(can)數定(ding)量地表示其(qi)與正(zheng)常細胞(bao)(bao)之(zhi)間的(de)(de)差異(yi)。將粘彈(dan)性(xing)(xing)(xing)(xing)力(li)學(xue)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)與生物因素聯系(xi)(xi)起來,將更接近使(shi)用力(li)學(xue)指標作為早期癌(ai)癥(zheng)診斷的(de)(de)標志。

自相似(si)多(duo)級結構模(mo)型(xing)與實驗所得到(dao)的MCF10A和MCF7細胞的復模(mo)量和損(sun)耗角正切值結果對比

惡性腫瘤(liu)細胞(bao)的(de)轉(zhuan)折頻率(lv)遠遠高于普通細胞(bao)的(de)轉(zhuan)折頻率(lv)

  以上研(yan)究(jiu)成果以《頻(pin)率依賴的細(xi)胞(bao)標度律流(liu)變學(xue)(xue)轉變特性(xing)》(Frequency-dependent transition in power-law rheological behavior of living cells)為題近日在線發表在《科學(xue)(xue)進展》(Science Advances)上。論(lun)文(wen)第一作(zuo)者(zhe)為西(xi)安交(jiao)通(tong)大學(xue)(xue)航天航空學(xue)(xue)院多尺度力(li)學(xue)(xue)-醫學(xue)(xue)交(jiao)叉實驗室博(bo)士生杭久濤,通(tong)訊作(zuo)者(zhe)是西(xi)安交(jiao)通(tong)大學(xue)(xue)航天航空學(xue)(xue)院徐(xu)光(guang)(guang)魁教(jiao)授(shou)(shou)及新加(jia)坡南洋理工(gong)大學(xue)(xue)高華健(jian)教(jiao)授(shou)(shou)。在此之前,杭久濤和徐(xu)光(guang)(guang)魁教(jiao)授(shou)(shou)等針對細(xi)胞(bao)材料獨特的冪(mi)律蠕變響應(ying)已(yi)進行(xing)了相(xiang)關(guan)研(yan)究(jiu),成果發表在《自(zi)然通(tong)訊》(Nature Communications )上。

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