纤维网络中的非线性力学感知
软凝聚态物质
2022-08-15 v1 生物物理
摘要
在多种生理环境中，真核细胞附着于细胞外基质（ECM）——一种具有复杂非线性力学的无序网络。此类细胞可进行力学感知：利用局部力探测，它们能够测量并响应其基底的机械性质。然而，ECM在细胞尺度上的力学复杂性如何影响力学感知仍不清楚。在此，我们研究了由ECM固有的结构无序和非线性弹性响应所施加的力学感知的物理极限。利用无序纤维网络的理论框架，我们发现细胞以微小探测力局部感知的极端力学异质性随力的增大而显著减弱。具体而言，我们预测力学感知的精度随力急剧提升，遵循一个对本构细节不敏感的普适幂律，并通过胶原和纤维蛋白凝胶中的微流变实验定量证实。我们通过引入一个基于与纤维屈曲相关的涌现非线性长度尺度概念的非线性力学感知通用模型，对此行为提供了概念性见解。这一依赖于力的长度尺度增强了局部力学测量的作用范围，从而在扩大的区域上平均无序网络的响应。我们以一个例子说明细胞如何利用这种非线性力学感知，通过局部测量推断无序ECM的宏观力学性质。总之，我们的结果表明，细胞可利用纤维网络固有的非线性，稳健地感知、控制并响应其力学环境。
引用
@article{arxiv.2208.06328,
title = {Nonlinear mechanosensation in fiber networks},
author = {Estelle Berthier and Haiqian Yang and Ming Guo and Pierre Ronceray and Chase P. Broedersz},
journal= {arXiv preprint arXiv:2208.06328},
year = {2022}
}