軟物質(zhì)和生命物質(zhì)力學(xué)是新興的力學(xué)前沿交叉領(lǐng)域之一。生命體不同層級(jí)力學(xué)表征及其力學(xué)調(diào)控規(guī)律的研究是揭示生命活動(dòng)奧秘的前沿基礎(chǔ)以及發(fā)展現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程、服務(wù)人類健康的需要。細(xì)胞、組織等生命物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)頗為復(fù)雜，兼具流體黏性和固體彈性，在不同的空間和時(shí)間尺度上表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為，對(duì)定量的實(shí)驗(yàn)表征和本構(gòu)模型的建立帶來挑戰(zhàn)。而水凝膠等軟物質(zhì)材料的材料屬性與細(xì)胞、組織等生命物質(zhì)相似并相對(duì)可控，同時(shí)作為細(xì)胞外基質(zhì)，水凝膠等軟物質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)對(duì)調(diào)控細(xì)胞和組織的生物學(xué)功能至關(guān)重要。因此，關(guān)于水凝膠等極軟材料的定量力學(xué)表征技術(shù)及其力學(xué)響應(yīng)規(guī)律的研究，是探究生命物質(zhì)力學(xué)特性的重要基礎(chǔ)。?

中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用原子力顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)，瓊脂糖水凝膠的應(yīng)力松弛在微米尺度上具有從短時(shí)間段多孔彈性指數(shù)松弛到長時(shí)間段黏彈性冪律松弛的轉(zhuǎn)折特征（圖1）。研究通過系統(tǒng)改變水凝膠的種類、濃度和力學(xué)測量的特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)并提出以多孔彈性為主導(dǎo)的水凝膠，應(yīng)力松弛的轉(zhuǎn)折時(shí)間由接觸的特征尺度和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)溶劑的擴(kuò)散系數(shù)決定；而以黏彈性為主導(dǎo)的水凝膠，應(yīng)力轉(zhuǎn)折時(shí)間與無序網(wǎng)絡(luò)的最小弛豫時(shí)間密切相關(guān)，與系統(tǒng)的特征尺度無關(guān)。該團(tuán)隊(duì)將上述成果與細(xì)胞和組織的應(yīng)力松弛作對(duì)比，得到軟物質(zhì)與生命物質(zhì)應(yīng)力松弛的統(tǒng)一性表述，這為探究一系列生命物質(zhì)的力學(xué)特性與生理病理的關(guān)聯(lián)提供了實(shí)驗(yàn)框架與理論模型。?

上述成果驗(yàn)證了該團(tuán)隊(duì)建立的單細(xì)胞尺度的力-構(gòu)耦合的力學(xué)模型。相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已應(yīng)用于生物相分離液滴的界面力學(xué)特性及細(xì)胞與胞外基質(zhì)力學(xué)相互作用等跨學(xué)科交叉合作研究。

相關(guān)研究成果以Crossover behavior in stress relaxations of poroelastic and viscoelastic dominant hydrogels為題，發(fā)表在《軟物質(zhì)》（Soft Matter）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的支持。?

圖1.?基于原子力顯微鏡技術(shù)的測量表明，多孔彈性與黏彈性兩種不同的機(jī)制決定了水凝膠應(yīng)力松弛中的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，有助于理解細(xì)胞和組織的類似的力學(xué)行為。