生物纤维网络的力学性能与其内在结构的关联研究

This project aims to address several outstanding issues in the study of biopolymer materials, namely, how the mechanical response of a bio-filament network, as well as the capability to perform biological functions, is influenced by its architecture and the physical properties of crosslinking molecules. Both theoretical and experimental investigations, with simulation as a supplement, will be carried out to achieve these goals. Specifically, realistic networks, consisting of various types biopolymers along with different crosslinking proteins, will be generated and their mechanical behaviors will then be determined by finite element (FEM) method where key factors such as the kinetics of crosslinkers and thermal undulations as well as large deflections of individual filaments will all be taken into account. Experiments will also be conducted to carefully examine the mechanical behavior of in vitro microfilament networks under different imposed deformation modes. The scientific issues are raised at the interface between traditional solid mechanics and rapidly advancing biological science. This study could provide a theoretical guidance and methodological support for quantitatively understanding and controlling dynamic cellular processes such as division, polarization and migration, as well as for the design and fabrication of future biomimetic materials.

该项目旨在解决几个在生物聚合物材料力学研究中的核心问题， 即生物纤维网络的内在结构和交联分子的物理特性是如何影响其力学响应以及执行各种生物功能的能力的。我们拟采用理论建模为主， 结合必要的数值模拟的研究方式发展和完善生物纤维网络的理论和计算模型， 建立交联分子的分离与再键合以及聚合物热波动的理论描述， 探讨纤维网络的结构和构成对其性能的定量调控； 在实验上， 体外形成的微丝网络在不同变形模式下力学行为将会被精确测量并与理论和模拟的预测进行全面的比较。作为传统固体力学与生物学科交叉产生的科学问题， 本项研究的创新之处在于从生物纤维网络的微观结构出发，通过上述一系列的理论和实验研究来揭示各种跨时间及空间尺度、相互耦合的因素对其力学、生物性能的调控以及相关的物理机制， 从而为理解并最终控制细胞的分化、极化、迁移以及未来仿生材料的设计和制备提供完整的理论指导、实验数据和方法支持。

在该面上项目的直接资助下，项目负责人林原及研究组采用理论建模与计算模拟为主、结合必要实验的研究方式，主要在纤维网络的结构和构成对其性能的定量调控以及细胞骨架在各种生命过程中的力学与生理作用取得了一系列实质性进展。在 2016-2019 年共发表 SCI 论文 18 篇，篇均影响因子 4.5，最高影响因子 15.62。项目期间研究组取得一项实用新型专利并在包括世界计算力学大会、美国理论与应用力学大会、国际先进材料技术会议等国际学术会议报告共 8 次。..对照项目申请书的预期研究成果，项目完成情况如下： ..(1）对生物纤维网络中热波动以及交联分子分离与再键合的理论描述和其在有限元模拟中具体实施的方法； .已完成，相关成果发表在 Soft Matter (2016)，Journal of Mechanics and Physics of Solids (2019), 以及 ACS Biomaterials Science & Engineering (2019)上, 详见研究工作主要进展。. .(2）通过一系列计算模拟和实验观测的研究，揭示生物聚合物网络的结构与构成同其力学响应以及各种生理功能之间的关联以及相关的机制；.已完成，相关成果发表在Journal of Applied Physics (2016)，Journal of Mechanics and Physics of Solids (2017)，Biophysical Journal (2016-1， 2016-2，2019，2020), Advanced Functional Materials (2017), Proceedings of the National Academy of Sciences (2018), Soft Matter (2019) 等期刊上, 详见研究工作主要进展。 ..（3）发表 SCI 论文 10-12 篇，其中影响因子 3.0 以上的论文不少于 3 篇； .已完成，共发表 SCI 论文 18 篇，其中15篇论文影响因子超过 3.0。 ..（4）结合本项目研究，培养博士生 4 名，硕士生 2 名。 .已完成，详见人才培养情况。