生物力学传感的物理极限

细胞主动探测并响应其周围环境的刚度。由于结缔组织中的力学感知细胞被无序的生物聚合物网络所包围，其体内力学环境可能极其异质。在此，我们通过将细胞建模为无序纤维网络内的理想化局部刚度传感器，研究这种异质性如何影响力学感知。对于我们研究的所有网络类型，包括实验成像的胶原蛋白和纤维蛋白架构，我们发现在给定网络的不同点施加的测量结果会产生一个极其宽广的局部刚度范围，跨越大约两个数量级。我们通过模拟和标度论证证实，这种宽广的局部刚度范围是无序纤维网络的普遍性质，并表明通过调节特定的网络特征，包括长纤维的存在和接近弹性转变，可以进一步扩大该范围。这些特征还使得刚度对探针长度的依赖性高度可调。最后，我们表明，为了获得对全局组织刚度最优、可靠的估计，细胞必须调整其大小、形状和位置，以整合来自空间扩展区域的多次刚度测量。