受限空间手性生物丝封装的力学机理和结构形态

Biological filaments such as DNA, chromatin fiber, actin filament and cellulose fiber are usually packed in the confinement space. The formation and evolution of their various morphologies and the mechanical characteristics of package are closely involved in the biological functions. This project will develop the theoretical modeling and corresponding simulation method considering the chiral microstructures and interactions between biological filaments. Combining the packing experiments, the mechanical mechanisms of biological filaments packaging will be investigated. Based on the simulation and experimental results, the formation and evolution of self-organized morphologies and the effects of material properties and geometrical factors will be also investigated. In addition, the packaging mechanism through the hierarchical structures of biological filaments will be explored. The results of this project will provide inspirations for the design of confined self-assembled system, the delivery of flexible polymer chain drug, flexible electronics package, densification technology of long and thin structures and so on.

生物体中，DNA、染色质纤维、肌动蛋白丝和及纤维素纤维等生物丝大多封装于受限环境中，其结构形态和力学特性与细胞和组织的生物功能密切相关。本项目拟发展考虑手性微结构和丝-丝相互作用的手性生物丝封装理论模型和相应的计算模拟方法，结合实验，探究手性生物丝受限封装的力学机理，研究其自组装结构形态的形成及演化规律、材料性能及几何因素等对封装结构形态和力学特性的影响，并对生物丝多级结构的封装机制进行探讨。本项目的研究给受限自组装系统的设计、柔性高分子链药物的输运、柔性电子封装、血管支架的折叠、细长结构的致密化技术等提供启发和参考，还有助于细长柔性丝的封装控制。

生物体中的DNA、染色质纤维等很多生物丝封装于受限环境中，其封装结构形态和力学特性与细胞及组织的生物功能密切相关。本项目基于动力学方法研究了手性生物丝的屈曲行为和在受限圆柱空间中的屈曲构型及其演化规律，并用于DNA的封装实验，分析了生物丝手性对封装的影响，揭示了手性生物丝受限封装的机理；基于能量法，研究了生物丝多层级手性丝束组装和细菌鞭毛的脱粘行为，得到了鞭毛丝脱粘打开的临界准则；通过理论模型，研究了生物丝材料手性和各向异性弹性的相互作用对手性形貌形成的影响、手性失配导致的弯-扭耦合变形；建立了自相似多层级手性结构的力学模型，研究了多层级手性丝束结构的力学性能；研究了攀附卷须的宏微观拉伸力学行为，建立了手性纤维增强复合材料的I型断裂力学模型，揭示了手性微结构的增韧机理。该项目的研究工作有助于理解生物丝结构--性能-功能关系，对于受限自组装系统的设计提供启发，部分工作获2019年国家自然科学二等奖。