细胞和组织力学

细胞和组织在受力作用下如何整体变形、流动和恢复，将其视为软粘弹性材料，其刚度反映了其内部结构。

Definition

细胞和组织力学是描述细胞和组织如何响应施加的力和变形，其特征在于弹性模量和粘弹性弛豫行为。

Scope

本主题涵盖细胞和组织的机械特性：应力、应变、弹性和粘弹性概念在软生物材料中的应用，细胞骨架和细胞外基质在决定刚度中的作用，以及测量机械响应的技术。分子尺度的细胞骨架力学和力感知在相关主题中讨论；此处重点关注细胞和组织的整体材料行为。

Core questions

• 软生物材料的应力、应变和弹性模量如何定义？
• 为什么细胞和组织是粘弹性而非纯弹性？
• 哪些内部结构决定了细胞或组织的刚度？
• 如何测量细胞和组织的机械响应？

Key theories

软组织的粘弹性响应

细胞和组织结合了弹性储存和粘性耗散，因此它们对变形的响应取决于速率和时间，从而产生应力松弛和蠕变等现象，这些现象是单一弹性模量无法捕捉的。

结构决定的刚度

细胞或组织的测量刚度反映了其内部结构——细胞骨架网络、膜张力以及细胞外基质——而非固有的材料常数，因此力学可以反映结构。

Mechanisms

软生物材料在应力作用下会发生变形，既有即时弹性成分，也有时间依赖性粘性成分，因为其承重元素是聚合物网络和流体，而非刚性固体。在细胞中，细胞骨架和细胞膜决定了响应；在组织中，细胞外基质和细胞间黏附增加了进一步的结构。原子力显微镜、微吸管抽吸和流变仪等探针施加受控变形并记录产生的力或弛豫，从而得出随加载速率和历史变化的模量。

Clinical relevance

组织刚度随纤维化、衰老和肿瘤进展而变化，细胞机械表型被研究作为状态的标志物，因此这里的力学是机械生物学和病理学的教育背景，而非诊断或治疗建议。

History

组织连续体生物力学由 Fung 在二十世纪下半叶系统化，随着微操纵和原子力显微镜使得直接测量细胞弹性和粘弹性弛豫成为可能，其研究范围向下扩展到单细胞。

Key figures

• Y. C. Fung
• Donald Ingber
• Dennis Discher

Seminal works

• fung1993
• boal2012

Frequently asked questions

组织具有粘弹性意味着什么？

它对力的响应部分像弹性固体一样回弹，部分像粘性流体一样流动，因此其行为取决于施加力的速度和持续时间。

细胞刚度在生物学上有什么意义吗？

是的；细胞的刚度反映了其细胞骨架的组织和状态，刚度的变化伴随着分化、迁移和疾病等过程，使其成为一个有信息量的物理读数。