《Advanced Healthcare Materials》：Cellular Responses to Mechanical Cues Across Scales: From Fundamental Insights to Translational Potential
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软生物材料通过已明确的机械转导（mechanotransduction）途径传递机械信号（mechanical cues），从而强烈影响细胞行为。然而，将从简化体外系统获得的见解转化为复杂的体内反应仍然是一个挑战。本综述提供了一个框架，用于评估机械生物学研究在
软生物材料通过已明确的机械转导（mechanotransduction）途径传递机械信号（mechanical cues），从而强烈影响细胞行为。然而，将从简化体外系统获得的见解转化为复杂的体内反应仍然是一个挑战。本综述提供了一个框架，用于评估机械生物学研究在不同尺度——从单细胞和类器官到组织和器官——的转化相关性。首先，研究人员根据软生物材料的结构和机械特征对其进行分类，以建立一致的术语。然后，研究人员研究了在模拟生理相关机械环境的先进体外系统中，细胞如何解释传递的机械信号。为了讨论转化潜力，研究人员提出了一个评分系统和一个比较分析，表明生理特异性（physiological specificity）而非实验复杂性决定了预测价值。当机械信号模拟天然条件时，简单系统可以产生高度可转化的结果，而先进模型则需要仔细验证以确保其相关性。通过整合生物力学（biomechanics）、电生理学（electrophysiology）和系统生物学（systems biology），研究人员概述了增强机械生物学发现预测效用的原则和验证策略，并最终支持更有效的生物材料（biomaterials）和组织工程系统的设计。
**1 Introduction**
当前软植入物和三维（3D）体外模型的研究范式聚焦于利用合成材料复制生物组织或环境的特性，以引导细胞行为或无缝整合于生物系统。尽管生化相互作用（如蛋白质吸附和酶活性）在调节力传递中发挥重要作用，但生物材料的力学特性和结构参数（如微结构和材料属性）直接决定细胞行为。由于人体几乎所有细胞都对力学信号有响应，战略性调节这些环境可用于影响细胞功能、黏附、增殖、分化、形态发生及最终的生物材料整合。这些力学调控过程发生在细胞层面（如黏附复合物的分子力感知），但最终影响组织重塑和器官功能。因此，机械生物学本质上是一个多尺度学科，局部细胞反应可传播为多细胞和生理学结果。在生物材料工程中，存在仿生生物材料（旨在复制天然生物环境）和可调生物材料（通过程序化力学刺激主动引导目标细胞行为）之间的基本区别。仿生材料模拟细胞在体内经历的生理条件特征，而可调材料则通过针对性信号实现特定细胞反应，并遵循生物材料设计循环（如图1所示）进行迭代优化。该设计过程的关键是验证细胞反应，以确保生物材料按预期调节细胞行为，从而为可转化的实验设置和情境依赖性见解奠定基础。
**2 Soft Biomaterials and Their Mechanical Environment**
软生物材料的设计需要全面理解力学环境如何跨尺度影响细胞反应。“软”指刚度在几帕到几十千帕范围，对应于许多生物组织和生物材料的力学窗口。力学环境不仅包含作用在细胞上的力学刺激的幅度和类型（如刚度、黏弹性、剪切应力、压缩、循环拉伸、渗透压或受限），还包含这些力所经历的空间情境。细胞力学感知固有地依赖于组织结构，包括细胞是作为孤立单细胞、汇合单层、共培养、球体、类器官还是3D细胞外基质（ECM）进行培养。因此，在生物模型系统中，结构组织和力学参数不能独立考虑。
**2.1 Architecture of Soft Biomaterials**
在软生物材料中，结构描述了材料向细胞呈现物理线索的组织方式，包括孔、纤维、网络和图案化表面，以及流体或高度均匀基质中缺乏持久结构的情况。建立清晰的术语很重要，因为3D生物材料培养中的细胞反应很少仅由组成或刚度决定，还取决于细胞的空间限制、黏附位置、力传递方式以及力学线索来源。结构分类包括：流体和单相材料及纳米孔凝胶（缺乏持久结构，通过流体阻力、流体动力剪切应力或渗透压影响细胞行为）；结构化非均质材料（宏观多孔支架引入局部微力学异质性，引导细胞排列、力传递和基质重塑）；以及纳米拓扑结构和二维结构（特征小于细胞，通过亚细胞接触几何调节黏附、铺展和极向）。这些不同结构决定了细胞感知其力学环境的层次。
**2.2 Mechanical Models of Soft Biomaterials**
力学模型将输入（力）和输出（变形）的关系转化为可量化、可比较并与细胞结果相关的参数。主要模型类别包括：弹性模型（线性和非线性，用于描述细胞局部力学行为或软组织的准静态响应）；黏弹性模型（描述率相关效应如松弛、蠕变和滞后，且黏弹性在机械转导中起关键作用）；多孔弹性模型（考虑固体骨架和间隙流体的相互作用，捕捉流体-固体耦合，如压力梯度和剪切力）；多孔-黏弹性模型（结合多孔弹性和固体相的黏弹性，更准确桥接宏观与微观力学线索）；以及多尺度和多物理模型（隐式和显式方法，整合结构特征与不同性质信号，如刚度梯度、化学浓度或黏附配体模式，用于解决机械相容性问题）。
**3 Cell-Material Interactions: How the Cell Perceives its Environment**
细胞-材料界面上的相互作用分为四个层次：（i）材料界面属性（表面电荷、蛋白质吸附、亲水性、离子含量、渗透压变化）通过无源物理化学作用影响细胞行为；（ii）细胞力学感知和黏附（整联蛋白、钙黏蛋白、初级纤毛、糖萼等受体和结构将ECM与细胞骨架耦合）；（iii）结构性和几何约束（物理限制、几何边界条件影响细胞形状和力分布，促进或抑制力学感知）；（iv）随时间动态微调的力学行为（如应力松弛或非线性变形）。（如图4所示，物理、物理化学和生化黏附机制共同决定细胞-材料耦联。）
**4 From Biophysical Stimuli to Cellular Responses Across Scales**
单细胞力学敏感性：所有细胞均具力学敏感性，但响应特性因细胞类型而异。细胞骨架（通过肌动球蛋白收缩性和黏着斑动态）和力学敏感离子通道（如PIEZO1/2和TRP通道）是主要感知机制。RhoA/ROCK通路和YAP/TAZ转录调节因子整合力学信号调控细胞命运。多细胞协调与涌现组织力学：细胞-细胞连接（如钙黏蛋白和选择素）传递力学信号，使组织能协同响应。细胞群体涌现出组织刚度、各向异性应力和曲率等特性，反馈影响基因表达、分化和定向迁移。器官尺度机械生物学：动态加载模式（如脉动流、呼吸诱导应变）及多组织整合引入新力学层。Hippo信号通路（通过YAP/TAZ）整合力学输入与组织生长、再生和稳态。
**5 Biomechanical Stimuli in Tissue Engineering: State of Research and Cellular Relevance**
基质刚度：ECM刚度通过黏着连接和细胞骨架张力被持续感知，影响细胞命运。可调水凝胶系统模拟生理刚度范围（0.3-55 kPa）指导干细胞分化。光交联系统允许动态刚度调节。剪切应力与流体流动：剪切应力由流体流动产生，激活离子通道和整联蛋白信号。平行板流腔和微流控平台用于复制血管（1-30 dyn/cm2）或肾小管（0.2-0.4 Pa）的剪切环境。循环拉伸与振荡力：模拟心血管和呼吸系统的节律性变形，利用真空驱动拉伸系统施加等双轴或单轴拉伸（10%应变，0.5 Hz）。压缩负荷：模拟关节软骨压缩（0.5-7.7 MPa），使用气动压缩系统对3D水凝胶-细胞构建体施加循环载荷。边界层效应：气液界面（ALI）培养通过调节表面张力、不对称水合等重现呼吸道上皮的力学边界。旋转力与悬浮模型：旋转流（如弯曲血管涡流）和血液细胞的悬浮剪切通过微流控旋转壁生物反应器等系统研究。电刺激：压电效应将机械变形与电位耦合，压电支架可同时施加力学加载和局部电信号。拓扑线索：微/纳米尺度图案（如微接触印刷、静电纺丝、双光子聚合3D打印）通过影响细胞突起和黏着斑来引导分化。
**6 Experimental Strategies for Assessing Mechanobiological Responses**
机械转导不能仅通过单一终点实验推断。评估需基于信号起始（免疫荧光、共聚焦、TIRF、超分辨、活细胞成像、FRET张力传感器）、核整合与基因调控（Western blot、ELISA、qPCR、bulk RNA-seq、scRNA-seq、空间转录组学、ATAC-seq、ChIP-seq、CUT&Tag）和功能力输出（牵引力显微镜TFM、原子力显微镜AFM、光镊）等多模式组合。多模式组合通过连接早期力学感觉事件与持久生物学结果，提供最可靠的转化解释基础。
**7 Evaluating the Translatability of In Vitro Findings to In Vivo Applications**
方法论框架：选择标准优先考虑当前基于效应或尺度分层框架的研究，仅纳入软物质系统（天然ECM基质、天然衍生聚合物、合成聚合物），排除硬组织材料和疾病模型，聚焦黏附细胞。通过主题综合法识别不同研究间的模式，并建立机械生物学保真度评分（MFS）：从力学代表性、细胞来源、细胞组织、时间尺度四个维度各评0-2分，总分0-8分。MFS作为比较启发式工具，旨在评估模型再现情境相关维度的程度，而非验证的预测指标。现有研究局限性：体外系统常简化多细胞、时间依赖性和流体-固体耦合特征；细胞反应具有非线性、阈值依赖性；单细胞和2D系统缺乏生理特征。MFS显示，较高复杂性不一定对应更高预测性；生理特异性而非实验复杂性决定转化价值。关键发现：简单系统若力学线索模拟天然条件可产出高度可转化结果；先进模型需仔细验证。
**8 Discussion**
力学反应时间依赖性：细胞机械适应和递归信号循环需长期刺激；黏弹性、力学记忆和流体-固体耦合适常被忽视，导致可重复性问题。复杂性不等于预测性：肝类器官在僵硬水凝胶中通过YAP过度增殖可能反映纤维化而非发育状态；简单模型可高效预测生理相关力学行为。细胞-细胞相互作用关键：大多数体外系统忽略相邻细胞间的力学和生化串扰，而组织水平的协调依赖YAP/TAZ、RhoA、细胞连接张力等通路。细胞来源选择：永生化细胞系呈胎儿样状态；干细胞来源类器官反映发育程序；组织来源类器官保留成熟力学敏感性，更适用于成人疾病研究。从分子到组织层面的分析：不同尺度方法（FRET、超分辨、AFM、组织学）反映机械信息的分层传播，突出现有模型在动态加载和时空分辨率-活细胞兼容性之间的折衷。病理模型验证：疾病特异性力学环境（纤维化、肿瘤样刚度）对确认机制相关性至关重要。成纤维细胞的作用：在力学适应性和组织纤维化中起中心作用，且巨噬细胞可覆盖其力学感知。机械相容性与尺度：现代生物材料可复制黏弹性和各向异性，但多尺度匹配仍具挑战；错误认定参数（如将宏观刚度与微观局部刚度混淆）会导致误导性结论。力学调节的分阶段工程：通过早期软化或硬化加速扩增，后期调整至生理范围以恢复内稳态。转化相关性取决于设计目的：新兴平台（灌注类器官、免疫共培养）的成功转化依赖于对组织力学、生物学和时间架构的完整再现。
**9 Conclusion**
机械生物学的转化预测取决于机械相容性而非复杂性：细胞模型必须捕捉生理输入、情境和细胞来源。组织来源类器官保留成熟组织力学敏感性，干细胞来源类器官揭示发育程序，永生化细胞系反映胎儿样状态。由于机械生物学反应依赖时间、力学历史、黏弹性和流体-固体耦合，短期读数需结合长期适应和体内结果进行解读。细胞反应（如增殖、迁移、分化、YAP激活）并非固有积极，而需在特定生理或病理情境中评估。结合这些根本限制与情境化机械相容性，将有助于构建不仅解释细胞力学感知、还能可靠预测体内结果的下一代模型。
