[论文解读] Biopolymers: life's mechanical scaffolds

Federica Burla, Yuval Mulla+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2018

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 215被引用 35

一句话总结

本综述探讨了细胞骨架和细胞外基质等生物聚合物如何作为机械支架，在结构层次、瞬时交联和机械化学活性的共同作用下，实现韧性与适应性的结合。通过整合聚合物物理与实验观察，本文揭示了这些动态网络如何实现非线性弹性、自愈合及力生成——为设计具有生命特征的合成材料提供了原理指导。

ABSTRACT

The cells and tissues that make up our body juggle contradictory mechanical demands. It is crucial for their survival to be able to withstand large mechanical loads, but it is equally crucial for them to produce forces and actively change shape during biological processes such as tissue growth and repair. The mechanics of cell and tissues is determined by scaffolds of protein polymers known as the cytoskeleton and the extracellular matrix, respectively. Experiments on model systems reconstituted from purified components combined with polymer physics concepts have already successfully uncovered some of the mechanisms that underlie the paradoxical mechanics of living matter. Initial work focussed on explaining universal features such as the nonlinear elasticity of cells and tissues in terms of polymer network models. However, living matter exhibits many advanced mechanical functionalities that are not captured by these coarse-grained theories. In this Review, we focus on recent experimental and theoretical insights revealing how their porous structure, structural hierarchy, transient crosslinking, and mechanochemical activity confer resilience combined with the ability to adapt and self-heal. These physical insights improve our understanding of cell and tissue biology and also provide a source of inspiration for synthetic life-like materials.

研究动机与目标

• 理解支撑活组织韧性与适应性的机械原理。
• 识别结构层次、瞬时交联和机械化学活性如何共同促成生物聚合物网络的独特力学性能。
• 弥合模型系统中的实验观测与理论聚合物物理之间的鸿沟，以解释活体物质中矛盾的机械行为。
• 突出生物支架的设计原则，以启发合成类生命材料的开发。
• 超越粗粒化模型，将自愈合和力生成等先进功能整合至生物聚合物网络中。

提出的方法

• 利用纯化的生物聚合物和交联剂，对重构模型系统的实验数据进行合成与分析。
• 应用聚合物物理概念，包括网络弹性与非仿射形变，以解释机械响应。
• 通过计算与理论建模，探究结构层次与动态交联在机械适应中的作用。
• 将机械化学反馈机制整合至网络模型中，以解释主动重塑与力生成。
• 将实验结果与粗粒化模型及细尺度模型的预测进行比较，以识别局限性与进展。
• 聚焦多孔网络结构，以理解微观结构如何影响宏观机械行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 瞬时交联与结构层次如何使生物聚合物网络同时具备刚度与可延展性？
• RQ2 哪些物理机制使活组织能够在应力作用下实现自愈合并动态调节其机械性能？
• RQ3 生物聚合物中的机械化学活动如何促进细胞与组织中的主动力生成与重塑？
• RQ4 生物聚合物网络的非线性弹性响应在哪些方面偏离经典聚合物网络理论的预测？
• RQ5 从天然生物聚合物支架中可提取哪些设计原则，以提升合成材料的韧性与功能性？

主要发现

• 细胞骨架与细胞外基质的非线性弹性源于网络结构与动态交联的协同作用。
• 瞬时交联通过在应力下实现可逆的键断裂与重组，实现能量耗散与自愈合。
• 跨多个尺度的结构层次增强了生物聚合物网络的机械鲁棒性，并支持多功能性。
• 机械化学活性（如ATP驱动的马达活动）可实现主动重塑与力生成，使活体网络区别于被动材料。
• 生物聚合物网络的多孔、异质结构既支持承载功能，又促进动态重排，从而支持组织生长与修复。
• 这些物理原理为工程化具有类生命机械行为（如适应性与自修复）的合成材料提供了基础。