多孔弹性影响模型软组织中的压缩致刚化行为

《Soft Matter》：Poroelasticity influences the compression stiffening of model soft tissuesOpen Access

　　

结缔组织的材料特性通常被认为主要由细胞外基质（extracellular matrix, ECM）所决定。然而，组织内的细胞对力学行为具有显著贡献，尤其是在轴向压缩这类体积变化型变形中。近期研究已在长时间尺度上考察了模型组织的压缩响应，在该时间尺度下组织间隙流体的作用可忽略不计。在本研究中，研究人员通过实验研究了短时响应中基质、细胞与流体力学之间的相互作用，所采用的模型组织基于纤维网络并嵌入微凝胶包合物（microgel inclusions）作为被动细胞样模拟物。通过在恒定应变率下施加压缩的同时，利用小应变剪切振荡测量剪切模量，研究人员证明：在长时间尺度下，纤维网络在嵌入微凝胶颗粒后由压缩软化（compression-softening）行为转变为压缩致刚化（compression-stiffening）行为；然而，在短时间尺度下，流体压力积聚会导致显著的压缩致刚化，无论是否包含微凝胶。研究结果表明，流体加压（fluid pressurization）效应对于理解组织在几秒量级时间尺度上的变形响应（这常见于许多经受生理变形的组织）至关重要。

**论文解读：多孔弹性对模型软组织压缩致刚化行为的影响**

**一、研究背景与科学问题**

结缔组织（connective tissue）的力学特性对其生理功能至关重要，例如动脉需在高低血压下保持完整，软骨每日需承受大量压缩循环，肌腱需抵抗较大拉伸力。传统观点认为，结缔组织的力学特性主要由细胞外基质（extracellular matrix, ECM）决定；然而，细胞作为体积保持型包合物（volume-preserving inclusions），在压缩等体积变化型变形中同样具有不可忽视的力学贡献。细胞体积分数在不同组织类型中差异显著，最高可达组织体积的20%。因此，仅考虑ECM的贡献无法完整描述组织力学。

已有研究表明，纯胶原蛋白网络在压缩下表现为压缩软化（compression-softening），而真实结缔组织则表现为压缩致刚化（compression-stiffening）。通过在胶原网络中引入细胞尺寸的弹性包合物（如葡聚糖微颗粒），可将压缩软化逆转为压缩致刚化，这一现象被归因于刚性颗粒重排促进胶原纤维的拉伸主导模式。然而，先前研究均集中在长时间尺度，此时间隙流体的贡献可忽略。对于短时间尺度下流体流动如何影响模型组织的压缩响应，尚无系统研究。基于这一空白，研究人员构建了由胶原纤维网络与微凝胶包合物组成的模型组织体系，系统考察了压缩过程中多孔弹性（poroelasticity）效应对剪切模量的影响。

**二、研究方法概述**

研究人员使用牛I型胶原蛋白（Advanced Biomatrix）制备浓度为2 mg mL^-1的纤维网络，并采用基于聚丙烯酰胺-共-丙烯酸（AAm-co-AAc）的细胞尺寸微凝胶（平均半径13 ± 6 μm，杨氏模量4.9 ± 1.4 kPa）作为被动细胞模拟物。微凝胶体积分数设置为0%、20%和40%（v/v），胶原浓度在间隙流体相中保持恒定。实验采用平行板流变仪，在恒速压缩（0.1、1或10 μm s^-1）的同时叠加小应变剪切振荡（频率1 Hz，应变振幅1%），同步测量法向力与剪切储能模量；同时利用共聚焦显微镜表征胶原网络结构。法向力数据采用基于双相多孔弹性模型（biphasic poroelastic model）进行拟合，以提取压力化时间（pressurisation time）与网络渗透率（permeability）。

**三、主要研究结果**

**模型组织结构表征：** 共聚焦反射成像显示，三种微凝胶体积分数下胶原网络均保持均匀，平均孔径（pore size）分别为3.4 ± 1.7 μm（0%）、2.3 ± 1.7 μm（20%）和2.8 ± 2.0 μm（40%）。40%样品中微凝胶间距接近网络孔径，但未观察到胶原纤维取向的显著改变，表明微凝胶作为惰性体积保持型颗粒对网络结构影响有限。

**长时间响应的压缩致刚化转变：** 在恒定压缩速率（1 μm s^-1）下，纯胶原网络表现出压缩软化行为，G_comp随压缩应变增加而下降；而含20%或40%微凝胶的复合网络则表现出持续的压缩致刚化。这一转变与已有研究一致，归因于刚性包合物使胶原纤维从弯曲主导模式向拉伸主导模式转变。

**短时间响应的快速致刚化现象：** 研究发现，无论微凝胶体积分数如何，施加压缩后G_comp首先迅速上升，随后才过渡至长时间行为。该初始致刚化在应变小于5%的范围内发生，且致刚化幅度不依赖于微凝胶含量，提示其机制不同于包合物诱导的弹性致刚化。研究人员推测该现象源于流体压力积聚：在压缩初期，间隙流体无法立即排出，产生孔隙压力，导致表观刚度上升。

**法向力与多孔弹性模型拟合：** 法向力随时间的演化在初期呈现快速上升，随后趋于线性增长。利用双相多孔弹性模型拟合早期法向力数据，研究人员获得了压力化时间t_⊥约10–20 s，对应网络渗透率k约0.5–2.7 μm。不同微凝胶体积分数下，kG乘积无显著差异，表明虽微凝胶体积分数变化，间隙胶原网络的孔隙结构基本一致，压力化时间主要由网络渗透率和基质模量共同决定。

**剪切模量与压力化时间的对应关系：** 将储能模量对时间而非应变重新作图后，初始快速致刚化的峰值时刻与法向力数据中压力化时间高度吻合，直接印证了流体流动过程对短时剪切模量响应的主导作用。

**压缩速率依赖性的验证：** 在压缩速率变化两个数量级（0.0002–0.02 s^-1）的条件下，储能模量峰值出现的时间基本恒定，而对应的应变值则随压缩速率变化。这一结果排除了纯弹性机制的可能性，进一步支持了多孔弹性解释：流体流动的响应时间由材料自身性质决定，而非由外加应变决定。

**四、讨论与结论**

研究结果表明，模型组织在压缩条件下的力学响应可分为两个时间域：在t < t_⊥时，流体压力积聚主导响应，导致快速致刚化；在t > t_⊥时，弹性网络效应占主导，压缩致刚化行为取决于是否存在体积保持型包合物。值得注意的是，多孔弹性引起的致刚化幅度与微凝胶包合物引起的致刚化幅度处于同一数量级，且对微凝胶体积分数的变化不敏感（至少至40%）。研究人员指出，虽然不能完全排除纤维排列或网络重构等额外因素，但简单模型与参数的物理合理性支持多孔弹性机制的解释。

本研究的结论可概括为：通过胶原蛋白与惰性细胞尺寸微凝胶组成的模型组织的剪切/压缩联合测量，研究人员证明了压缩致刚化行为具有时间依赖性。弹性效应主导长时间响应，而短时响应中纤维网络多孔性导致的流体压力积聚起着关键作用。该机制对软骨等承受压缩载荷的结缔组织尤为重要——行走时关节软骨承受的压缩变形典型时间尺度为数秒，恰处于多孔弹性效应显著的窗口。这一发现强调了压缩速率对纤维蛋白网络压缩测量解释的强烈影响，并为后续引入更复杂的细胞模拟物或研究粘弹性间隙介质对多孔弹性效应的影响提供了基础。