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細(xì)胞力學(xué)感知（Mechanosensation） 是細(xì)胞將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生化信號(hào)的過(guò)程，調(diào)控組織發(fā)育、再生、病變等生理病理過(guò)程。
目標(biāo)：為生物材料設(shè)計(jì)提供力學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)再生醫(yī)學(xué)。
膜受體：整合素（Integrin）、鈣黏蛋白（Cadherin）等。
力傳導(dǎo)鏈：
細(xì)胞-基質(zhì)：ECM → 整合素 → 適配蛋白（如Talin/Vinculin）→ 肌動(dòng)蛋白（F-actin）。
細(xì)胞-細(xì)胞：Cadherin → α/β-連環(huán)蛋白 → F-actin。
機(jī)械敏感離子通道：如Piezo1/2、TRPC6，響應(yīng)膜張力。
核力傳導(dǎo)：通過(guò)LINC復(fù)合體（Nesprin-SUN1/2-Lamin）連接核骨架與胞質(zhì)骨架。
圖1：細(xì)胞骨架和力敏感機(jī)制
YAP/TAZ：力誘導(dǎo)核轉(zhuǎn)位，調(diào)控基因表達(dá)。
Ca2?信號(hào)：通過(guò)機(jī)械敏感通道觸發(fā)，影響細(xì)胞收縮與分化。
動(dòng)態(tài)鍵合：整合素-ECM為“catch bond"（力增強(qiáng)結(jié)合），Talin-F-actin為“slip bond"（力削弱結(jié)合）。
力傳導(dǎo)效率：取決于鍵合壽命、加載速率和分子親和力。
生理：骨重塑、傷口愈合、神經(jīng)再生、心肌收縮。
病理：器官纖維化（腎、心）、腫瘤轉(zhuǎn)移（基質(zhì)硬度促進(jìn)侵襲）、糖尿病血管病變。
力學(xué)匹配：仿生材料需模擬天然組織的剛度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
智能材料：響應(yīng)pH、溫度、力學(xué)刺激的動(dòng)態(tài)材料（如溫敏水凝膠）。
3D打印：梯度剛度支架（骨/軟骨再生）。
負(fù)載結(jié)構(gòu)：金屬（鈦合金）vs. 可降解聚合物（PLGA、PCL）的平衡。
| 技術(shù) | 原理 | 分辨率 | 應(yīng)用 | 局限 |
|---|---|---|---|---|
| 牽引力顯微鏡（TFM） | ||||
| 微柱陣列（μFSA） | ||||
| 原子力顯微鏡（AFM） | ||||
| 光鑷（OT） | ||||
| 磁鑷（MT） | ||||
| 微管吸吮（MPA） | ||||
| 實(shí)時(shí)變形流式（RT-DC） |
圖2：細(xì)胞力研究的不同分析方法的示意圖
類(lèi)型：
數(shù)字可逆?zhèn)鞲衅鳎―TS）：PEG/DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)，力程0-20 pN。
二元傳感器（BTS）：dsDNA斷裂閾值（10-60 pN），如TGT/ITS。
膜張力傳感器：FliptR（熒光脂質(zhì)探針）、MSS（FRET膜蛋白探針）。
應(yīng)用：
量化整合素激活閾值（血小板需>43 pN）。
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞遷移、粘附動(dòng)力學(xué)。
長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)：開(kāi)發(fā)抗降解傳感器（如PNA替代DNA）。
實(shí)時(shí)分子互作：解析受體-配體結(jié)合壽命與加載速率。
AI與機(jī)器學(xué)習(xí)：自動(dòng)化分析多模態(tài)力學(xué)數(shù)據(jù)。
3D組織模型：整合TFM與張力傳感器，模擬體內(nèi)力學(xué)微環(huán)境。
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