对细胞与分子生物力学中一些挑战性问题的思考

细胞与分子生物力学是生物力学的前沿领域,也是力学与生命科学的前沿交叉领域,其基础性和复杂性对生物力学的研究提出了很多挑战性的问题。本文将围绕细胞的力学性质及模型,力学与化学的耦合问题,以及多尺度的力学建模等几个问题进行简要论述和思考,同时对本专栏中的论文进行了简要的介绍和评述,以期引起生物力学工作者以及广大力学工作者的兴趣和共鸣。     

果蝇卵发育过程中卵上皮细胞的极化与排列行为

目的研究果蝇卵室发育过程中卵上皮细胞的形态与排列行为。方法建立模拟果蝇卵室发育过程的有限元模型,并开发描述材料生长的ABAQUS UMAT用户子程序。基于有限元方法模拟果蝇卵室第8阶段(S8)到第10阶段初始阶段(S10)的发育过程,通过分析上皮细胞层在卵剖面上主应力的方向和面内最大剪应力的分布,预测上皮细胞的极化和排列行为。结果上皮细胞的排列方向与最大主应力的方向一致,而细胞的长细比与其最大剪应力成正比。结论果蝇卵上皮细胞的极化和排列行为由组织内的应力控制。     

生物大分子自组织坍塌行为的研究

目的　研究生物分子链的自组织坍塌过程；探讨分子序列的组分、温度和链的柔性对生物分子自组织过程的影响。方法　基于粗粒化分子动力学模拟方法，研究均匀分子链和非均匀分子链的自组织坍塌过程。结果　发现链的非均匀性会使链的平衡结构产生微观网络结构，而链的柔性在很大程度上决定了链的整体构型。在链的刚性比较小的时候，均匀链和非均匀链都倾向于演化为团状结构。链的刚性比较大的时候，分子链演化为棒状和环状结构。发现在一定范围内温度对均匀链的平衡构型影响较小，而对非均匀链的平衡构型影响较大。结论　建立的粗粒化模型对于研究生物大分子的自组织过程，以及结构和功能的关系提供了一个有力的工具和新的思路。     

生命系统中的力化耦合定量机制与力医学路径初探

针对当前生命与医学研究面对的挑战,分析生命系统在分子、亚细胞、细胞和组织不同尺度的力化耦合行为,并试给出各尺度力化耦合的定量关系。这些定量关系说明生命系统在各个尺度的结构与它们的力稳态紧密相关,即结构的变化必将导致力稳态的改变;反之,力稳态变化也必将导致结构的变化。生命系统力稳态的产生源于分子尺度肌球蛋白作用而产生的细胞骨架的收缩张力,并借助生命系统的多级结构实现各级结构的力的自稳态。因此,力化耦合机制及其定量关系启示研究者可以发展一个从全新角度去认识和治疗疾病的思路和方法,即力医学。最后,讨论力医学认识和治疗疾病的可能路径,为新的医学范式提供诊疗思路和方法。