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·RS推介·
活体材料的纳米生物力学
 图1 活体材料的纳米生物力学专题 纳米生物力学横跨自然科学、工程 学、生物学、医学等多个学科，现已成为 一门强有力的应用技术，它既可以用来 表征蛋白质、细胞和软组织等生物材料 和结构的力学性能，又可以监测其生理 学和病理学过程。“活体材料的纳米生 物力学”专题由Kuo- Kang Liu和Michelle L. Oyen 整理编辑，发表在Interface Focus 2014 年第2 期（图1）。该专 题刊载了1 篇前言文章、7 篇综述文章。 本期“英国皇家学会推介”栏目选取该专 题的前言文章及2 篇综述，介绍“活体材 料的纳米生物力学”的进展。 活体材料的纳米生物力学 华威大学工程学院的Liu、剑桥大学 工程系的Oyen在前言文章中指出，蛋白 质、细胞和软组织等软质活体材料会 发生柔性形变，其杨氏模量通常处在 1 MPa 至1 GPa 的范围内，比人工或工 程材料低1000 倍。如此低的弹性模量， 使这些材料的生物力学测量需要纳米级 测量技术。纳米生物力学仪器的最新发 展解决了这一挑战，这些仪器包括纳米 原子力显微镜（AFM）、光钳及光学延伸 器、细胞牵引力显微镜和纳米压痕技 术。本专题将介绍这些最前沿的仪器、 材料和生物材料的力学表征分析，以及 它们在未来生物医药方面的应用潜力。 纳米生物力学横跨自然科学、工程 学、生物学和医学多个学科，对于在单一 领域内从事研究工作的科学家来说，要 综合、全面地了解纳米生物力学最新的 信息显得更加困难。本专题通过综合阐 述纳米生物力学的最新进展，介绍了纳 米级物质的生物力学性质测量和应用。 生物力学、纳米技术、仪器以及细胞和组 织生物学可以协同起来，共同研究蛋白 质、细胞和组织等生物材料的生理学和 病理学过程。 发表在MIT Technology Review的
一篇评论性文章将纳米生物力学列为10
个最重要的技术之一。在测量高度复杂
化和动态化的活体材料方面的突破性进
展，不仅开启了科学研究领域的一片新
视野，同时也产生了重大的社会影响。
例如，疾病改变了细胞的弹性和粘附性，
测量细胞表面蛋白质施加的纳米级的
力，可以为包括癌症、骨关节炎和糖尿病
在内的多种疾病提供新的探索依据。因
此，这些基于单细胞的生物力学标记物
将为疾病检测提供潜在的低成本、低侵
害和高通量的诊断技术。更重要的是，
细胞-细胞之间或细胞-材料之间的纳米
级作用力对细胞分化和组织再生的信号
传导具有显著影响，对组织工程学和再
生医学的发展意义重大。加之21 世纪人
口老龄化日益加深，本专题中列举的研
究话题对满足老龄化人群的生物医药需
求具有一定的意义。 机械敏感的细胞水凝胶 都柏林圣三一学院的Ahearne在关
于机械敏感型细胞水凝胶的综述文章中
指出，水凝胶生物材料的发展，为组织工
程学和再生医学提供了新的方法和途
径。要想发展出更加复杂的细胞播种水
凝胶（cell-seeded hydrogel）结构，了解
细胞与水凝胶之间的物理作用就显得十
分必要。该文综述了细胞改性水凝胶的
机理、水凝胶的力学和结构性质对细胞
行为的影响，以及机械刺激对细胞播种
水凝胶的作用。研究表明，细胞介导的
水凝胶改性受到黏附、迁移、收缩、降解
和细胞外基质沉积等细胞过程的控制；
而水凝胶的刚性、密度、成分、定向和黏
弹特征都影响着细胞活性和表型。包覆
于水凝胶中的细胞受到机械力的作用，
也会引起细胞行为的改变。随着人们对
水凝胶中细胞和材料之间机械作用的理
解越发深入，将会开启再生医学疗法的
新纪元。 弹性组织的结构及其微观力学 英国埃克斯特大学的Green 等在关
于弹性组织的结构以及微观力学的综述
文章中指出，弹性蛋白是肺和血管等组
织的重要成分，它赋予这些组织高弹性，
以便于维持其生理学功能。最近的研究
揭示了这些弹性蛋白结构的复杂性，人
们已经开始关注关节软骨和椎间盘等组
织中，由良性弹性蛋白纤维构成的巨大
网络。非线性显微镜使这些活体组织中
的结构可视化，为其力学性质的分析提
供了线索。这些结构中除含有弹性蛋白
外，还含有一批主要为原纤蛋白的微原
纤维蛋白，这些弹性蛋白结构相当复
杂。拉曼光谱和X 射线衍射从分子和纤
维水平为单一蛋白质组分的弹性机制提
供了解释，但在解释其复合基质中的机
械作用方面仍存在大片空白。弹性组织
是细胞外基质最稳定的组分之一，但老
龄化和疾病会使弹性组织的力学性能受
损，产生动脉硬化、糖尿病等。通过研究
钙和脂质结合、以及糖苷化过程对体外
弹性蛋白制备的力学性能影响，人们对
弹性组织受损与老龄化疾病之间联系的
认识陷入了一个迷宫，需要进一步的努
力以确定这些联系的分子学基础。
（责任编辑 田恬）
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