過去二十年的大量研究已經(jīng)證實，細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的彈性或剛度會影響基本的細(xì)胞過程，包括擴散、生長、增殖、遷移、分化和類有機物的形成。為了重現(xiàn)細(xì)胞在體內(nèi)經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境的影響，線性彈性聚丙烯酰胺水凝膠和包覆有ECM蛋白的聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體被廣泛用于評估剛度的作用。
然而，組織和細(xì)胞外基質(zhì)不是線性彈性材料，它們表現(xiàn)出更復(fù)雜的力學(xué)行為，包括粘彈性（對載荷或變形的時間相關(guān)響應(yīng)），以及機械塑性和非線性彈性。
近日，斯坦福大學(xué)Ovijit?Chaudhuri，昆士蘭大學(xué)Justin Cooper-White，賓夕法尼亞大學(xué)Paul A.?Janmey、Vivek B. Shenoy，哈佛大學(xué)David J. Mooney五位細(xì)胞力學(xué)和生物材料界大牛聯(lián)合在《Nature》上發(fā)表了題為“Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular?behaviour”的綜述文章，綜述了組織和細(xì)胞外基質(zhì)的復(fù)雜力學(xué)行為，討論了細(xì)胞外基質(zhì)粘彈性對細(xì)胞的影響，并描述了粘彈性生物材料在再生醫(yī)學(xué)中的潛在應(yīng)用?；|(zhì)粘彈性調(diào)節(jié)基本細(xì)胞過程，并可以促進(jìn)在二維和三維培養(yǎng)微環(huán)境中用彈性水凝膠觀察不到的行為。這些發(fā)現(xiàn)提供了對細(xì)胞-基質(zhì)相互作用以及相關(guān)機械敏感的分子通路的觀察，為下一代生物材料提出了設(shè)計指南。
細(xì)胞通過機械方式與ECM相互作用，包括通過牽拉（通常是通過基于整合素的粘附力耦合到ECM的基于肌動蛋白的收縮力）和通過推動（通常是通過肌動蛋白聚合和微管）來進(jìn)行。ECM的機械性質(zhì)介導(dǎo)這些相互作用，導(dǎo)致細(xì)胞機械轉(zhuǎn)導(dǎo)并影響細(xì)胞行為。
表1.與生物組織和細(xì)胞外基質(zhì)有關(guān)的機械行為
復(fù)雜的組織和ECM力學(xué)
粘彈性是活組織和細(xì)胞外基質(zhì)普遍特征。作為對機械擾動的響應(yīng)，粘彈性材料表現(xiàn)出瞬時彈性響應(yīng)，這是純彈性固體的特征，隨后是隨時間變化的機械響應(yīng)和能量耗散或損失，這兩者的特征都是粘性液體的特征。
粘彈性材料將響應(yīng)于外部階梯應(yīng)力或載荷的施加而以隨時間變化的方蠕變或變形，并且響應(yīng)于階梯變形而經(jīng)歷應(yīng)力松弛或以隨時間變化的方式降低應(yīng)力水平。粘彈性材料表現(xiàn)出介于純彈性和純粘性的響應(yīng)，響應(yīng)的同相分量被描述為儲存或彈性模量，而異相響應(yīng)被描述為損耗或粘性模量。粘彈性材料中損耗模量與儲能模量之比的大小通常取決于頻率。
粘彈性固體與粘彈性流體的區(qū)別在于，在恒定變形下長時間保持應(yīng)力或彈性阻力，或長時間在載荷作用下達(dá)到平衡變形。流變學(xué)分析表明，軟組織通常在1 Hz時表現(xiàn)出損耗或粘彈性模量，通常約為其存儲模量的10％至20％或彈性模量。應(yīng)力松弛測試顯示，軟組織，包括肝，乳房，肌肉，皮膚和脂肪組織-基本上在它們的阻抗比的時間尺度從幾十放寬到變形到幾百秒。
對于骨骼組織，軟組織和重組ECM，在大約1 Hz時的損耗模量和儲能模量，以及應(yīng)力松弛測試
粘彈性的變化與疾病的進(jìn)展有關(guān)。彈性模量的確定是觸診以識別僵硬腫瘤的基礎(chǔ)，不能有效地識別大多數(shù)類型的腦部腫瘤，而是通過磁共振彈性成像顯示其耗散特性的變化可以識別神經(jīng)膠質(zhì)瘤和其他類型腦部的邊緣原位腫瘤。此外，大腦粘彈性的變化與衰老和多發(fā)性硬化癥有關(guān)。同樣，乳腺癌的進(jìn)展與硬度和能量耗散的變化有關(guān)。此外，粘彈性的變化與其他類型的癌癥或疾病有關(guān)，但有關(guān)這些數(shù)據(jù)的缺失很大，值得進(jìn)一步研究。
粘塑性是粘彈性材料的一個子集：施加的應(yīng)力超過材料的“屈服應(yīng)力”時，它們會顯示出永久變形，而在去除應(yīng)力時，它們至少會保持部分變形。這些材料對低于其屈服應(yīng)力的載荷或變形具有粘彈性。組織和ECM的耗散特性是多種機制的基礎(chǔ)，其中一些機制也導(dǎo)致了粘塑性。組織由細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞外液組成。細(xì)胞外基質(zhì)由纖維蛋白聚合物網(wǎng)絡(luò)組成，典型的是1型膠原纖維網(wǎng)絡(luò)，夾雜著高度水合的、柔性的多糖和其他大分子，被認(rèn)為是組織力學(xué)和粘彈性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。膠原或纖維網(wǎng)絡(luò)中的消散取決于將一種纖維與另一種纖維連接起來的鍵的性質(zhì)。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)是非共價的，由許多解離速率足夠快的弱鍵引起，以允許應(yīng)力在相應(yīng)的時間尺度上松弛，或允許材料蠕變。這些弱鍵也可以表現(xiàn)出取決于載荷的動力學(xué)，并且在機械變形或載荷下弱鍵的斷裂會耗散能量?；|(zhì)變形后弱鍵的重整可以穩(wěn)定材料的變形狀態(tài)，從而導(dǎo)致塑性變形。
由于組織主要由水組成，因此，ECM中的水流會引起大量的粘性耗散，稱為多孔彈性效應(yīng)，這取決于組織的篩孔大小或孔隙率以及加載速率。除此之外，許多組織還表現(xiàn)出非線性彈性。
二維培養(yǎng)基與分子離合器
底物粘彈性對細(xì)胞的作用已通過利用具有獨立可調(diào)節(jié)粘彈性的生物材料的二維培養(yǎng)研究得到了有力證明，并且通過計算模型發(fā)現(xiàn)，二維培養(yǎng)中細(xì)胞基質(zhì)剛度的主要傳感裝置被認(rèn)為是肌球蛋白-肌動蛋白-粘附系統(tǒng)，也稱為馬達(dá)離合器模塊。其動力學(xué)已成功地解釋了彈性體上細(xì)胞的剛度傳感基材。模型顯示，對于軟質(zhì)基材，在最佳粘度水平下可實現(xiàn)最大的細(xì)胞擴散，對于堅硬的基材，該模型預(yù)測粘度不會影響細(xì)胞擴散，因為所結(jié)合的離合器會因剛度增加而飽和。
應(yīng)用于粘彈性基底的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子離合模型示意圖及分子離合器模型模擬預(yù)測最佳細(xì)胞擴散時的應(yīng)力松弛
形成彈性，粘彈性但非粘塑性或粘彈性和粘塑性水凝膠的策略：
三維培養(yǎng)與機械約束
研究人員已經(jīng)在三維培養(yǎng)基中研究了基質(zhì)粘彈性的作用。已知培養(yǎng)物的尺寸會影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)、粘附、信號傳導(dǎo)和營養(yǎng)物質(zhì)的運輸。三維培養(yǎng)支持多種行為，包括上皮形態(tài)發(fā)生，維持人類胚胎干細(xì)胞的多能性以及軟骨細(xì)胞的分化狀態(tài)。培養(yǎng)維度也已專門涉及介導(dǎo)機械轉(zhuǎn)導(dǎo)。例如，盡管二維培養(yǎng)研究表明YAP轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子是一種通用的機械換能器，但它在所有二維培養(yǎng)背景下介導(dǎo)了細(xì)胞對僵硬的反應(yīng)，在剛性乳腺癌的三維培養(yǎng)模型中發(fā)現(xiàn)了不依賴YAP的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)，這與對乳腺癌患者樣本的分析一致。
水凝膠的粘彈性和粘塑性對三維培養(yǎng)中細(xì)胞擴散，增殖，基質(zhì)沉積和遷移的影響表明了與機械約束概念的聯(lián)系。許多細(xì)胞過程涉及細(xì)胞體積，形狀或運動的變化。當(dāng)這些處理在三個維度由周圍ECM或細(xì)胞物理地限制，該細(xì)胞被認(rèn)為是機械地約束。公認(rèn)的觀點是，孔徑和基體降解能力是機械限制的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器。
由基質(zhì)孔徑，基質(zhì)可降解性和基質(zhì)粘塑性共同決定的機械約束對三維培養(yǎng)細(xì)胞的影響
醫(yī)用粘彈性生物材料
這些發(fā)現(xiàn)的潛在應(yīng)用在于再生醫(yī)學(xué)生物材料的設(shè)計。這個領(lǐng)域的起源是為了使那些因疾病或創(chuàng)傷而受損或丟失的組織和器官或工程替代品再生。生物材料通常用于細(xì)胞和藥物輸送，在空間上組織移植和駐留的細(xì)胞，調(diào)節(jié)基因表達(dá)，并在各種再生，組織和免疫工程應(yīng)用中指導(dǎo)組織結(jié)構(gòu)和功能?；|(zhì)粘彈性對細(xì)胞增殖，基因表達(dá)，命運和遷移的明顯影響突出了其作為基于生物材料的應(yīng)用的設(shè)計參數(shù)的重要性。
粘彈性是用于再生醫(yī)學(xué)的生物材料的重要設(shè)計參數(shù)。干細(xì)胞在水凝膠中的移植是基質(zhì)剛度調(diào)節(jié)再生的第一個證明，凝膠的粘彈性是影響其體內(nèi)細(xì)胞命運的關(guān)鍵。隨后的研究通過將細(xì)胞移植到匹配的初始彈性模量但是應(yīng)力松弛率不同的水凝膠中直接研究了粘彈性的影響。具有更快的應(yīng)力松弛的水凝膠導(dǎo)致更大的骨骼再生。水凝膠的各種應(yīng)用中，包括軟骨再生，聲帶再生和心肌梗塞后心肌病理重塑的改善也可能與它們的粘彈性能具有相關(guān)性。
粘彈性是否已成為一個隱藏變量，可以更廣泛地解釋生物材料領(lǐng)域過去的許多工作成為了一個關(guān)鍵問題。再生醫(yī)學(xué)中一些最廣泛使用和成功的生物材料都是物理交聯(lián)的水凝膠（膠原蛋白凝膠，透明質(zhì)酸和超分子組裝物）。
早期研究得出的結(jié)論是，降解速度更快的水凝膠比降解速度較慢的凝膠導(dǎo)致更多的組織再生。但是，這些研究利用聚合物分子量的變化來調(diào)節(jié)凝膠的溶解，這些變化也將改變材料的粘彈性，并且細(xì)胞活性介導(dǎo)的材料降解的可能會將局部基質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦硰椥缘臓顟B(tài)。
此外，細(xì)胞可能與它們自己沉積的基質(zhì)分子相互作用，這可能提供粘彈性底物。顯然，未來將需要更多的研究來描述粘彈性，其他物理特性和化學(xué)組成在細(xì)胞和組織對介導(dǎo)組織修復(fù)和形成的各種生物材料反應(yīng)中的特定作用。
設(shè)計用于再生醫(yī)學(xué)的粘彈性生物材料
展望
粘彈性是活組織和ECM的近乎普遍的特征，并且細(xì)胞可以感知并響應(yīng)ECM的粘彈性，從而挑戰(zhàn)了目前以剛度為中心的細(xì)胞-基質(zhì)機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的觀點。需要測量發(fā)育過程中組織以及成人和病理組織的粘彈性和粘塑性。盡管已經(jīng)越來越了解基質(zhì)粘彈性對二維培養(yǎng)中細(xì)胞鋪展的影響，但還必須在基質(zhì)的其他物理線索的背景下考慮粘彈性的作用，包括幾何形狀，孔隙率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。我們對粘彈性和粘塑性基體在三維環(huán)境上的機械傳導(dǎo)的機理了解仍然有限，需要創(chuàng)新工具和方法以更高的時空分辨率來解密細(xì)胞-基質(zhì)的相互作用。
展望未來，粘彈性很可能成為許多應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)規(guī)范。粘彈性在調(diào)節(jié)各種細(xì)胞類型生物學(xué)中的作用，以便合理設(shè)計能夠促進(jìn)組織再生的材料。生物材料的設(shè)計也可能需要將細(xì)胞感知的局部粘彈性特性與實現(xiàn)再生或工程組織機械穩(wěn)定性所需的更大的組織尺度特性相分離。因此，設(shè)計具有可控粘彈性的生物材料可能會促進(jìn)生物材料在再生醫(yī)學(xué)中的成功應(yīng)用。
