细胞骨架凝胶收缩的能量学

细胞骨架凝胶被用于原型化重现细胞骨架的体外机械收缩。它们由聚合物网络（骨架）组成，因液体溶剂的存在而溶胀，并含有将化学能转化为收缩机械功的活性分子（分子马达，MMs）。这些马达附着于聚合物链以缩短之和/或充当动态交联点，从而约束链的热涨落。我们从热力学上将上述两种机制描述为微结构重排，其中骨架刚化以驱动溶剂（向外）流动并容纳收缩。通过简单的稳态能量分析，在各向同性收缩的最简情形下，我们将实现收缩所需的机械能量定量表示为聚合物链密度与分子马达密度的函数。我们识别出两种极限情形：（fm）快速 MM 激活，即 MMs 瞬时提供所有可用机械能并使聚合物处于刚化状态，亦即其活动发生在远小于溶剂扩散的时间尺度上；（sm）慢速 MM 激活，其 MM 激活时间尺度远更长。为达到相同最终收缩状态，fm 所需每单位参考体积功最大，而 sm 所需最小。对于所有 MM 激活时间尺度与溶剂流动时间尺度可比的中间情形，所需功介于两者之间。我们给出了所有这些量作为链密度与 MM 密度的函数。最后，我们将结果与实验比较并观察到良好一致性。