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为解决现有细胞力学连续模型难以捕捉肌动蛋白丝取向、束滑动等微尺度过程的问题，研究人员构建统计热力学框架，引入取向序参数和微剪切应变等变量。模拟揭示变形 regimes，为细胞机械生物学及病理、组织工程研究提供新视角。
细胞作为生命活动的基本单元，其力学行为如同精密运作的机械系统，时刻响应着外界环境的 “压力测试”。在微观世界里，真核细胞的 “钢筋铁骨”—— 细胞骨架（cytoskeleton），由肌动蛋白丝（actin filament, AF）、中间丝（intermediate filament, IF）和微管（microtubule, MT）等生物聚合物组成，肩负着维持细胞形态与力学特性的重任。然而，当科学家试图用传统的连续介质模型解读细胞骨架的力学奥秘时，却发现这些模型如同隔靴搔痒：它们往往忽略了两个关键的微观剧本 —— 应力诱导的半柔性肌动蛋白丝取向排列，以及丝束通过交联剂断裂引发的不可逆滑动。这导致模型无法精准刻画细胞骨架的非线性应变硬化、机械失效阈值等现象，更难以架起微观分子架构与宏观力学响应之间的桥梁，使得在癌症转移、组织工程支架设计等关键领域的研究陷入瓶颈。
为了填补这一认知空白，俄罗斯科学基金会资助的研究团队开展了一项富有创造性的研究。他们构建了一种全新的统计热力学框架，旨在揭示细胞骨架在有限变形下的力学行为密码。这项研究成果发表在《International Journal of Engineering Science》，为细胞机械生物学领域带来了突破性的视角。
研究人员采用的核心技术方法包括：
- 引入内部变量建模：定义取向序参数（描述肌动蛋白丝排列有序性）和微剪切应变（表征丝束滑动程度），将微观结构变化纳入热力学分析。
- 自由能函数构建：推导系统自由能与内部变量、温度及 “有效温度” 结构参数的函数关系，量化骨架对机械重组的敏感性。
- 数值模拟分析：通过求解耦合的演化方程，模拟剪切变形下的应力松弛过程，识别不同结构参数主导的变形阶段。
研究结果
1. 细胞骨架的结构与力学特征
细胞骨架的三大组分各具特性：微管直径 25 nm，持久长度 5 μm，是刚度最高的组分；肌动蛋白丝和中间丝则通过动态交联形成网络，在抵抗变形的同时具备重组能力。这种复杂结构使得细胞在机械刺激下呈现非线性响应，但现有模型未能充分捕捉其微尺度机制。
2. 有限变形的运动学关系
研究通过变形梯度张量（F）分解，剥离刚体运动影响，建立独立于参考构型的变形度量。这一处理确保了模型对大变形过程的客观描述，为后续分析提供了运动学基础。
3. 序参数的自洽方程推导
借鉴熵弹性理论，将肌动蛋白丝取向与液晶、聚合物的取向有序化过程类比，建立序参数演化的自洽方程。结果表明，应力诱导的取向排列是熵驱动的自发过程，其动力学受 “有效温度” 参数调控。
4. 微丝自由能与热力学一致性
通过无量纲化处理（如so′=γoNoso），将自由能分解为取向和微剪切贡献。热力学分析验证了模型的一致性，表明结构参数可反映骨架抵抗机械重组的能力，其值越低，骨架越易发生取向有序化和剪切滑动。
5. 本构关系与数值模拟
采用 neoHooke 定律描述弹性响应，结合 Maxwell 型元件串联模型（弹性元件与取向、微剪切元件），构建完整的本构方程组。数值模拟揭示了三阶段变形模式：低应力下的取向有序化、中等应力下的剪切滑动主导期、高应力下的结构失效，均由结构参数决定。
结论与讨论
这项研究首次在统计热力学框架下统一了肌动蛋白丝取向与束滑动机制，阐明了微观结构参数（如丝密度、交联剂强度）如何通过自由能景观调控宏观力学行为。模拟结果成功复现了实验中观察到的幂律流变、临界失效应变等现象，为定量预测细胞在生理与工程力学环境中的行为奠定了基础。
其科学意义体现在：
- 理论层面：突破传统连续模型局限，建立微观机制与宏观响应的定量关联，完善细胞机械生物学的理论体系。
- 应用层面：为解析癌症转移中的机械阈值（如肿瘤细胞侵袭的力学敏感性）、优化组织工程支架的力学设计（如模拟细胞外基质的应力传导特性）提供关键模型支持。
- 技术桥梁：模型预测可通过现有实验技术（如原子力显微镜、光镊）验证，推动计算模拟与实验生物学的深度融合。
未来研究可进一步拓展至三维细胞微环境中的多轴加载场景，或纳入其他细胞骨架组分（如微管的动态聚合解聚）的力学贡献，以更全面揭示细胞力学的复杂图景。这项工作犹如一把钥匙，正在开启细胞微观力学世界的新大门，为生命科学与医学工程的交叉研究开辟了充满希望的新路径。
