应用数学和力学

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前言

徐峰, 程波

2021, 42(10): 1-2.

摘要(533) PDF(103)

摘要:
健康是促进国民全面发展的必然要求，是经济社会发展的基础条件.为了提高全民健康水平，“健康中国2030”“面向人民生命健康”已被提升至国家战略高度.然而，随着社会人口老龄化程度的不断加剧和国民生活方式的快速改变，重大疾病（如癌症等）及传染病（如新冠病毒等）的发病率日益上升.因此，加快发展人口健康技术将为解决我国重大慢病治疗及传染病防控等重大健康医疗问题提供有力支撑.人体疾病的发生发展与体内复杂环境（如生物化学因素、物理因素）的变化密切相关.而当前医学健康和生命科学研究的发展趋势之一就是逐渐认识到物理因素，尤其是力学因素的调控规律，在生命活动和疾病发生发展中扮演着重要角色，对阐明重大疾病的机理和提供有效诊治方案具有重要的科学意义和应用价值.

细胞趋硬性迁移的研究进展

杨月华, 姜洪源

2021, 42(10): 999-1007. doi: 10.21656/1000-0887.420265

摘要(1163) PDF(149)

摘要:
细胞力学微环境可以调控许多细胞生理功能.特别地，在细胞力学微环境各种信号梯度的作用下，细胞可以定向地迁移.这些定向迁移可以显著影响伤口愈合、癌细胞转移和组织形貌发育等生理过程.目前为止，细胞的定向迁移主要包括：在化学药物梯度作用下的趋药性迁移，在黏附分子梯度作用下的趋触性迁移，以及在细胞外基质硬度梯度作用下的趋硬性迁移等.虽然细胞趋药性和趋触性迁移的力学机理得到了很好的研究，但是关于细胞趋硬性迁移的机制和作用还不清楚.该文重点介绍了细胞趋硬性的相关实验和理论研究进展，分析了不同研究间的联系与区别，讨论了细胞趋硬性迁移的潜在力学机制，提出尚存在的问题和未来可能的研究方向.

受约束高分子链的拉伸

李凯, 叶天宇, 王记增

2021, 42(10): 1008-1023. doi: 10.21656/1000-0887.420279

摘要(1051) PDF(111)

摘要:
高分子生物材料微观力学性质的定量刻画，以及先进生物微纳米技术与器件的发展均需要定量分析生物大分子等高分子链在复杂微环境中的统计热力学性质与行为.在实现这一目标的过程中，连续介质力学与统计热力学的交叉研究扮演着很重要的角色.针对这一领域的力学问题，该综述先从DNA分子的受力拉伸出发，通过引入描述高分子链统计热力学性质的几类理论模型，指出了蠕虫链相较其他理想随机链模型在描述半柔性高分子链力与构型变化关系时具有较为显著的优势，从而使得人们对高分子在复杂微环境下,统计热力学性质与行为的定性与定量认识在很大程度上取决于基于蠕虫链模型的相关研究进展.根据这一事实，通过回顾与梳理空间几何约束对高分子链随机构象分布影响、高分子链在拉力与约束同时作用时的统计热力学建模、以及基于高性能计算机的高分子链统计物理性质仿真等各方面研究的现状，系统总结了蠕虫链在不同约束与受力微环境下,其统计热力学性质与行为研究的最新进展和依旧存在的挑战性难题.最后，通过总结分析,指出了蠕虫链在复杂微环境下的统计热力学研究是从分子与细胞尺度理解生命现象、发展先进微纳米技术以及构建软物质本构关系的重要基础，目前已成为极富挑战性的力学交叉科学前沿课题.

细胞骨架与细胞外基质的力学建模与分析

龚博, 林骥, 王彦中, 钱劲

2021, 42(10): 1024-1044. doi: 10.21656/1000-0887.420302

摘要(1067) PDF(131)

摘要:
细胞和生物组织需要适应人体内复杂的力学生物学环境，一方面要被动地承受外部环境中的机械力，另一方面在组织生长、修复等生理过程中要积极主动地产生机械力调整自身的结构和形态.细胞和生物组织的力学性质主要由细胞骨架和细胞外基质决定，它们在微观上都是生物聚合物交联形成的复杂的、各向异性的三维网络结构.这方面早期的力学研究主要集中在通过各种网络模型，理解其普遍存在的非线性响应和硬化行为.近年来随着实验方法、理论建模和计算机模拟技术的大幅进步，这些生命介质的力学性质及其潜在的力学机理得到了更深入的理解.该文回顾了近些年细胞骨架和细胞外基质研究方面取得的部分进展，主要侧重动态交联属性、生物聚合物力学化学耦合赋予的主动材料属性、交联网络塑性和断裂，以及力学训练引发的自适应网络重构.发展细胞骨架与细胞外基质的力学模型与计算方法，分析该类生命介质的复杂力学行为，理解这些力学行为的潜在机制，可以加深我们对细胞和组织的力学生物学认识，并为人造生物材料和细胞组织工程提供基础和参考.

充液弹性毛细管低温相变的力学分析

陶泽, 李墨筱, 提飞, 刘勇岗, 刘少宝, 卢天健

2021, 42(10): 1045-1061. doi: 10.21656/1000-0887.420301

摘要(1313) PDF(106)

摘要:
充液弹性毛细管广泛存在于生物体（如毛细血管、植物导管等）和工程领域（如微流控冰阀门、制冷系统热管、MEMS微通道谐振器等）.低温工作环境中，充液弹性毛细管内部的液柱会发生相变并引发冻胀效应，从而导致管壁的变形、损伤乃至断裂.该文建立并求解了考虑温度梯度、界面张力及液体冻胀作用的弹性毛细管平衡方程，分析了液柱低温相变过程中毛细管壁的径向和环向应力，发现管壁应力分布受热毛细弹性数和冻毛细弹性数的影响，且影响大小跟壁厚相关.该研究不仅有助于理解生物体内充液弹性毛细管冻胀失效机制，还可为MEMS微流控芯片的抗冻胀失效设计提供理论指导.

基于弹性壳的三维群体细胞动力学模型

于鹏宇, 许琨, 陈鹏程, 李博

2021, 42(10): 1062-1073. doi: 10.21656/1000-0887.420264

摘要(1251) PDF(108)

摘要:
群体细胞迁移常见于胚胎发育、伤口愈合和肿瘤侵袭等各种生理和病理过程中，关于其动力学的研究对于揭示群体细胞迁移机理、深刻理解有关生物过程十分重要.该文构建了群体细胞的三维可变形壳状模型，提出了一种考虑细胞弹性形变和细胞间接触与黏附相互作用的群体细胞动力学理论，并发展了相应的数值算法.基于所发展的动力学模型与算法，对多细胞在嚢腔里的受限旋转运动进行了模拟，复现了相关实验现象，分析了细胞极性、细胞形变、胞间相互作用等因素对多细胞三维动力学的影响规律.

考虑细胞外基质黏弹性行为的细胞黏附力学模型

程波, 徐峰

2021, 42(10): 1074-1080. doi: 10.21656/1000-0887.420259

摘要(1276) PDF(105)

摘要:
细胞外基质由大量胶原蛋白和纤维蛋白组成，这些基质蛋白形成复杂的交联网络状结构，具有黏弹性力学特性.研究表明，黏弹性基质能显著影响细胞迁移、增殖和分化等生理行为，还能影响癌症转移和组织纤维化等疾病的发生与发展.然而，细胞感知细胞外基质黏弹性力学特性的分子机制仍不清楚.该文通过建立细胞黏附力学模型，从分子层次揭示细胞黏附在细胞响应外界黏弹性力学微环境中的作用.结果表明，细胞能通过调控细胞黏附动力学（包括黏附周期和黏附形成时间）响应细胞外基质的黏弹性力学特性.通过将模型计算结果与实验现象相比较，验证了模型的正确性.细胞黏附力学模型将为组织工程中细胞力学微环境的构建奠定理论基础.

新冠病毒蛋白酶与抗病毒药物分子相互作用的分子模拟研究

吴徐伟, 李星宇, 李华, 李振海, 陈伟, 李德昌

2021, 42(10): 1081-1090. doi: 10.21656/1000-0887.420280

摘要(1360) PDF(79)

摘要:
该工作通过研究抗病毒药物与新冠病毒Mpro的相互作用，理解药物分子对Mpro动力学的影响，对Mpro抑制剂的设计提供帮助.采用分子对接方法获得了Mpro与药物分子结合的复合物结构及其亲和力.常规的分子动力学模拟结果显示，测试的抗病毒药物均不能很好抑制Mpro结合位点处的动力学.通过副本交换的分子动力学模拟充分采样Mpro与不同药物分子结合的构象，分析不同药物分子对Mpro结合口袋形状及动力学产生的影响.结果显示不同药物分子通过与结合位点周围不同位置处氨基酸形成的不同的氢键网络，改变了Mpro结合口袋的形状.上述结果提示在未来的药物设计中，应充分考虑潜在抑制剂与Mpro结合口袋形成的氢键网络的重要性.

分子刚度对膜锚定受体-配体结合动力学影响的理论与模拟研究

钟楚晗, 徐光魁

2021, 42(10): 1091-1102. doi: 10.21656/1000-0887.420262

摘要(1467) PDF(85)

摘要:
人体内大部分生物学过程都离不开细胞黏附.细胞黏附行为主要由锚定于细胞膜上的特异性分子（又称受体和配体）的结合动力学关系来决定.已有研究表明，特异性分子的结合关系受外力及细胞膜波动等多种因素影响.然而，特异性分子刚度对细胞膜锚定受体配体结合关系的影响机制仍不清楚.近期关于新冠病毒强传染力的研究表明，特异性黏附分子刚度对病毒与细胞结合具有重要影响.该文通过建立生物膜黏附的粗粒度模型，借助分子模拟和理论分析来研究分子刚度在黏附中的作用.结果表明，始终存在一个最佳膜间距及最佳分子刚度值，使得黏附分子亲和力和结合动力学参数达到最大值.这项研究不仅能加深人们对细胞黏附的认知，还有助于指导药物设计、疫苗研发等.

留言板

2021年第42卷第10期

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2021年 第42卷 第10期

2021年第42卷第10期