第四屆全國生物力學青年學者學術研討會報告綜述1)

吳 禹 李德昌 季葆華

(浙江大學航空航天學院工程力學系,杭州 310027)

引言

由國家自然科學基金委員會數(shù)理科學部和中國力學學會生物力學專業(yè)委員會主辦,浙江大學承辦的“第四屆全國生物力學青年學者學術研討會”于2020 年11 月20—22 日在杭州六通賓館召開.本次會議由浙江大學航空航天學院吳禹教授和李德昌副教授擔任會議共同主席.會議邀請了來自全國16 所高?；蚩蒲性核?5 位40 歲 (含) 以下獲得過自然科學基金資助的、在生物力學領域具有良好發(fā)展?jié)摿Φ那嗄陮W者與會(其中包括3 位“優(yōu)秀青年基金”獲得者);會議同時也邀請了“第三屆全國生物力學青年學者學術研討會”的主席和4 位“優(yōu)秀青年基金”獲得者出席會議并主持專題報告.

國家自然科學基金委員會數(shù)理科學部孟慶國副主任、力學科學處雷天剛處長、綜合與戰(zhàn)略規(guī)劃處張攀峰處長,中國力學學會生物力學專業(yè)委員會副主任委員季葆華教授,軍事醫(yī)學科學院張西正研究員,中國科學技術大學姜洪源教授等特邀嘉賓出席會議.會議開幕式由浙江大學航空航天學院吳禹教授主持,浙江大學航空航天學院副院長金仲和教授首先致歡迎辭,介紹了浙江大學航空航天學院、力學學科及生物力學方向的基本情況和最新發(fā)展,并感謝國家自然科學基金委數(shù)理科學部力學科學處對浙江大學力學學科的大力支持;接著,季葆華教授代表中國力學學會生物力學專業(yè)委員會對此次會議的成功召開表示祝賀,希望參會的青年學者們能夠借此機會,相互學習借鑒;最后,孟慶國副主任在致辭中祝賀本次會議的成功召開,強調目前生物力學方向所面臨的機遇和挑戰(zhàn),希望青年力學工作者充分利用好學術研究的黃金時段,做出更多標志性的工作.

開幕式后,季葆華教授主持了大會特邀報告.張西正研究員做了題為《極端力學環(huán)境下骨重建的研究》的大會特邀報告,詳細介紹了在極端環(huán)境下特殊的力學條件對人員生命健康的影響,提出了極端環(huán)境下生物力學研究的關鍵科學問題,并指出生物力學在航空航天航海國防等國家重大戰(zhàn)略需求領域具有廣闊的應用前景.姜洪源教授做了題為《多極細胞分裂和上皮組織的脆韌轉變》的大會特邀報告,詳細講述了力學因素在細胞有絲分裂過程中所起的關鍵作用以及上皮細胞單層結構在力學加載下的脆韌轉變.

本次研討會上,25 位生物力學學科的優(yōu)秀青年代表做了專題報告,介紹了近年來在各自研究領域中所取得的進展和成果,研究方向包括細胞分子生物力學、力學生物學、生物材料力學與仿生力學、骨骼-肌肉生物力學、心 (腦)血管血流動力學和生物流變學、臨床醫(yī)學與康復工程中的生物力學等,主要報告內容如下.

1 細胞分子生物力學

西安交通大學林敏在其報告《整合素介導細胞力學感知的分子機制》中,通過研究不同的細胞外基質剛度與不同種類細胞 FAK 磷酸化水平的量化關系,揭示了基質剛度依賴的 FAK 磷酸化水平差異的分子機制.在此基礎上建立了基于黏附分子鍵力學理論的細胞力與化學耦合模型,分析了整合素與炎癥因子協(xié)同作用對牙周膜干細胞成骨分化影響的動力學過程,預測了信號通路中關鍵調控分子的存在.研究成果為進一步開發(fā)以整合素為靶向分子的藥物提供了理論基礎.

上海大學李振海在其報告《力調控下的整合素構象變化》中,借助單分子實驗手段,觀察了純化的整合素在外力調控下的構象在伸展與彎折狀態(tài)間反復變化的過程;通過分子動力學模擬,揭示了整合素構象反復變化的分子機制,解釋了整合素抵抗外力做功的能量來源,并找到了整合素傾向于處于彎折狀態(tài)分子結構上的根源,進一步提出設計自然狀態(tài)處于不同構象(彎折或伸展狀態(tài))的變異整合素分子,并認識整合素完成不同力感知功能的機制.

浙江大學李德昌在其報告《絲蛋白超長β 片晶體的強韌化機制》中,發(fā)現(xiàn)了β 片納米晶體的失效模式與其長度的關系:長度較短的β 片在剪切載荷作用下界面氫鍵同時斷裂,表現(xiàn)為一種均勻破壞的行為;中長度β 片受載荷時界面上氫鍵依次斷開,以裂紋擴展的形式斷裂;而超長β 片展現(xiàn)了新的斷裂形式,多個微裂紋在界面依次形核、移動與堆積,類似于金屬中的位錯成核、發(fā)射和堆積,這些微裂紋將原本連續(xù)的氫鍵陣列分割成多個片段,使得長β 片也可以獲得高強度.這一新的機理將為構建兼具功能和結構的超強高分子材料提供理論指導.

西安交通大學徐光魁在其報告《受限條件下的群體細胞運動》中,將細胞骨架的張拉整體模型引入頂點動力學模型中,建立了一個基于細胞骨架的力學模型,分別研究了圓形受限和平板約束條件下群體細胞遷移模式,發(fā)現(xiàn)了幾何約束對細胞遷移行為的影響規(guī)律.

電子科技大學李順在其報告《怒放——在細胞群體運動之前》中,研究了果蠅卵發(fā)育中一種新的細胞群體運動方式.運動啟始之前,細胞會經歷一個“開花”的階段,為細胞運動與形態(tài)重塑提供生物、物理條件的準備.利用遺傳學、光遺傳學等方法,并從細胞生物力學的視角解讀了“開花”的原因與調控機制,發(fā)現(xiàn)了肌球蛋白的重要調節(jié)行為與非常規(guī)的作用方式;進一步通過力學建模,揭示了“開花”在新細胞群體運動方式中的重要調節(jié)作用.

2 力學生物學

西北工業(yè)大學楊慧在其報告《特殊環(huán)境免疫力學生物學》中,關注特殊力學環(huán)境對機體免疫系統(tǒng)結構-功能的影響及其長期效應的力學生物學機制.建立了地基模擬空間失重、超重環(huán)境、模擬航空沖擊、高過載、振動等環(huán)境、模擬密閉艙室環(huán)境下動物和細胞的實驗加載平臺和裝置,結合組學與生物信息學技術,高通量篩選并明確了免疫細胞受特殊力學環(huán)境影響的關鍵調控分子和主要調控網(wǎng)絡;揭示了特殊力學環(huán)境下人體重要組織器官損傷與免疫修復機制,建立了生物力學預測模型,實現(xiàn)了定量化損傷監(jiān)測與評估預測;構建了體外三維細胞力學微環(huán)境并實現(xiàn)精確調控,揭示了三維微環(huán)境對細胞功能的調控及其分子機制;建立了力與化學耦合的細胞生物力學模型,實現(xiàn)了定量表征體外力學微環(huán)境對細胞結構與功能的調控作用及其機制;建立了特殊力學環(huán)境下免疫細胞有限元分析方法,為分析免疫細胞力學特性變化與其生物學功能改變之間的相關性,提供了重要的力學分析新模型.

中科院力學所李寧在其報告《力學微環(huán)境調控肝臟細胞功能》中,基于微流控芯片技術,制作了具有肝血竇生理結構、細胞組成和力學、物理微環(huán)境的體外三維肝血竇模型,發(fā)現(xiàn)流動剪切可提高肝實質細胞的白蛋白合成、藥物代謝等肝臟特異性功能;肝細胞的白蛋白合成功能隨基質硬度的增加而下降,隨剪切力的增加先上升后下降.同時發(fā)現(xiàn)硬基底可促進肝血竇內皮細胞的去分化,其標志性結構—窗孔的數(shù)量和孔隙率隨基質硬度的增加而下降.研究結果可為深入認識肝纖維化的力學調控機制提供基礎,為肝臟疾病治療提供新思路.

重慶大學邱菊輝在其報告《斑馬魚造血干細胞遷移出巢的力學生物學機制研究》中,利用血管內皮細胞(VECs)和造血干細胞(HSCs)轉基因斑馬魚為模型研究了伴隨 HSCs 發(fā)育過程的切應力的變化規(guī)律和其在VECs 分化HSCs 過程中的作用機理,發(fā)現(xiàn)在分叉血管等處的生理低血流切應力通過誘導巨噬細胞黏附分泌MMP13等胞外蛋白酶促進HSCs 遷移出巢.該研究為VECs 轉分化為HSCs 命運提供了生物力學的新機制.

中科院力學研究所的呂東媛在其報告《基底硬度耦合拓撲結構影響人胚胎干細胞的肝向分化》中,建立了體外胚胎干細胞(ESCs)四階段肝向分化方案結合硬度可調的聚丙烯酰胺水凝膠上不同拓撲結構研究人ESCs 細胞系的肝向分化能力,并且在不同分化階段量化基底硬度和拓撲的耦合影響.研究顯示,ESCs 在較硬基底更易維持干性、在較軟凝膠上肝向分化占主導,而基底拓撲結構有助于HLCs的分化,該影響與基底最初形成的ESCs 克隆的圓度正相關.這些人ESCs 來源的HLCs 在維持CYP450代謝、糖原合成和ICG 吞噬的能力以及修復小鼠的肝臟損傷方面具有肝細胞特異性功能.這些結果表明,基底硬度和拓撲結構的耦合,結合生化因素有利于提高ESCs 肝向分化的效率和功能.

3 生物材料力學與仿生力學

清華大學李博在其報告《生物軟組織多場耦合力學》中,針對生物軟組織多尺度力、化、生耦合問題,建立了實體腫瘤的非線性多孔彈性理論,分析了腫瘤生長發(fā)育過程中力學、化學、生物學機制的耦合作用,揭示了應力和營養(yǎng)輸運對腫瘤生長的調控作用,闡釋了腫瘤內部血管的臨界屈曲、形貌形成以及后屈曲演化、坍塌的機制,為血管正常化和組織應力釋放等癌癥治療策略提供了理論依據(jù).構建介觀尺度多細胞組織力學理論與實驗模型,研究了多細胞單層組織形貌動力學的力-化學耦合的多尺度機制,探討了正常組織積極防御、攻擊癌細胞的策略.相關結果可為腫瘤的發(fā)生、發(fā)展提供新的理解,并對腫瘤的臨床診療具有參考意義.

北京大學易新在其報告《受限彈性納米顆粒與柔性纖維在生物膜管內的力學行為》中,通過力學分析與建模,系統(tǒng)地探究了顆粒與纖維的彈性性能對其與膜管力學相互作用的影響.通過考察顆粒相對尺寸和剛度,對于單個和無限多個彈性球,給出其在膜管內的構型相圖;發(fā)現(xiàn)在較小和較大包裹度下,多顆粒的力學行為展示出協(xié)同效應.針對柔性蛋白纖維,給出其在彈性膜管內的失穩(wěn)條件.相關研究成果有助于理解納米顆粒在細胞間的運輸以及細胞偽足的力學穩(wěn)定性.

南京航空航天大學劉少寶在其報告《生物含液多孔材料跨尺度流-固耦合問題研究》中,針對生物含液多孔材料,基于范特霍夫滲透平衡方程與自洽均一化理論,建立了考慮滲透平衡、力學平衡和物質守恒的從細胞到組織的跨尺度理論模型,揭示了生物組織滲透脅迫軟化機理;基于Eshelby 經典固體夾雜理論,分析了細胞等帶殼的可壓縮液體夾雜物的體積響應,揭示了細胞內外機械信號屏蔽或放大機制;基于Biot 多孔彈性理論和廣義赫茲接觸模型,通過考慮壓痕和松弛過程中生物組織孔隙內的流體流動,建立了適用于生物組織多孔彈性性能(泊松比、剪切模量和擴散系數(shù))表征的大松弛壓痕理論;基于剛性球形夾雜平移理論,提出了一種利用光鑷/磁鑷加載原位表征細胞質多孔彈性性質的新方法.

太原理工大學王艷芹在其報告《各向異性水凝膠基底的構建及其黏彈性行為》中,針對各向異性水凝膠網(wǎng)絡結構與其物理、生化特性之間的關系,利用限域干燥及鹽浸處理相組合的優(yōu)化策略,設計了結構和力學特性可調的各向異性水凝膠,并使其在機械性能、光學性能、溶脹行為和細胞分化行為誘導方面均表現(xiàn)出顯著的各向異性特征,并深入研究了該水凝膠的黏彈性行為,建立了各向異性水凝膠基底的黏彈性本構模型,為其誘導細胞定向分化的力學生物學機制研究奠定了理論與實驗基礎.

4 骨骼與肌肉生物力學

北京航空航天大學姚杰在其報告《膝關節(jié)髕骨轉動軸的在體測量與軌跡分析》中,通過核磁共振成像,測量并重建了髕骨的在體運動軌跡;采用離體標本實驗驗證了軌跡的精度;進而測量了20 例健康受試者的髕骨轉動軸,并發(fā)現(xiàn)了在膝關節(jié)由伸到屈的過程中的髕骨運動規(guī)律,可為進一步探討膝關節(jié)骨關節(jié)炎的生物力學機制提供基礎,也能為改進關節(jié)假體設計提供理論依據(jù).

太原理工大學黃棣在其報告《納米磷灰石在骨再生中的力學問題》中,針對骨再生領域中面臨的納米磷灰石涂層與基體界面結合強度低、涂層力學穩(wěn)定性差等問題,通過構建化學鍵合界面、多孔緩沖區(qū)、控制納米磷灰石取向生長等方法,在保持植入體生物活性的同時,提高納米磷灰石與基體的結合強度,從而實現(xiàn)快速的骨整合.

5 心 (腦) 血管血流動力學和生物流變學

上海交通大學韓悅在其報告《內皮祖細胞在血管內膜損傷修復過程中的力學生物學機制》中,聚焦內皮祖細胞(EPCs)對周期性張應變響應的力學生物學以及損傷血管局部細胞間信息交流誘導EPCs 定向分化的分子機制,研究發(fā)現(xiàn)生理性的周期性張應變可誘導 EPCs 的 microRNA-129-1-3 p 表達下調,通過其靶分子調控細胞向內皮相分化功能;同時,周期性張應變還可通過 EPCs 與血管平滑肌細胞間信息交流,最終調控 EPCs 分化和增殖功能,還關注力學因素如何影響 EPCs 能量代謝方式,并最終影響其修復血管損傷以維持血管穩(wěn)態(tài)的機制.這些研究將有助于闡明血管內膜損傷與修復的力學生物學機制,對心血管疾病的防治研究具有理論和臨床轉化意義.

四川大學曾燁在其報告《微循環(huán)動力學障礙及其治療》中,針對腦小血管病的致病機理,探究了內皮細胞來源的糖萼、外泌體等調控腦小血管病的力學生物學機制,并揭示了miR-9/S1P1 在血管新生中的重要作用;構建了一系列血管力學微環(huán)境的模擬實驗裝置;發(fā)現(xiàn)了我國特有的莨菪系列藥物對血管新生、側支循環(huán)、微循環(huán)動力學障礙的改善及作用機制,為后續(xù)數(shù)值建模與分析、力學生物學實驗研究奠定了基礎.

北京航空航天大學康紅艷在其報告《血管內皮糖萼與血管重構》中,關注血管細胞糖萼在血管重構中的作用,以尾吊大鼠模型模擬體液頭胸部轉移導致血流動力學的全身性改變,發(fā)現(xiàn)血管內皮糖萼在厚度、覆蓋率、分子水平等方面將發(fā)生區(qū)域性重構,且與血管舒縮功能的改變存在相關性.基于此構建了離體高血壓血管重構模型,發(fā)現(xiàn)糖萼通過力傳導介導了這一血管重構過程,其中涉及一氧化氮、血管細胞凋亡等過程.此外,高膽固醇飲食將引發(fā)血管內表面糖萼的降解,血管一氧化氮分泌減少,收縮力和舒張力均降低,進一步提示了糖萼與血管功能之間的重要關聯(lián).

浙江大學李學進在其報告《基于微流控芯片的紅細胞力學與血流變性能分析》中,關注細胞膜結構缺陷對紅細胞力學和血流變特性的影響,借助微流控實驗平臺并結合粗?；Ｗ幽M手段,研究了健康和疾病狀態(tài)紅細胞在微流控通道內的變形、流動和粘附特性,分析了不同疾病狀態(tài)下紅細胞在毛細血管內的流動規(guī)律及影響機制.這些結果將有助于人們從分子-細胞-血管等層面更好地理解相關疾病的發(fā)病機制及臨床表現(xiàn).

6 臨床醫(yī)學與康復工程中的生物力學

同濟大學牛文鑫在其報告《中國傳統(tǒng)健身運動的康復生物力學》中,聚焦太極拳和五禽戲等傳統(tǒng)健身運動力學安全性和有效性兩個關鍵問題,應用運動學和動力學測試、逆向動力學分析、有限元仿真等方法,并結合腦功能分析和臨床試驗,解決了膝關節(jié)炎患者練習太極拳的爭議問題,為太極拳治療髖關節(jié)炎臨床試驗指明了方向,為踝關節(jié)損傷患者練習太極拳提供了科學建議,比較了五禽戲動作與臨床推薦的康復療法的力學作用.同時,通過改造太極拳和五禽戲動作,為患者提供個性化運動處方.

大連理工大學于申在其報告《基于醫(yī)工結合的上氣道與耳的結構、功能與疾病的生物力學研究》中,建立了上氣道與內耳前庭系統(tǒng)的生物力學模型,對其功能的實現(xiàn)以及結構和功能之間的關系進行了數(shù)值理論分析,分別對阻塞性低通氣睡眠呼吸暫停綜合征(OSAHS)、鼻竇炎、良性陣發(fā)性位置性眩暈(BPPV)、暈動病等幾種典型常見疾病與結構之間的關系,以及相應的臨床診療措施進行了研究.

上海交通大學馮原在其報告《基于磁共振成像的軟組織生物力學測量、建模與介入》中,基于臨床3T 磁共振成像平臺,研制了電磁式彈性成像系統(tǒng),解決了臨床應用簡易便攜的需求,克服了現(xiàn)有氣動系統(tǒng)頻率測量精度的限制,實現(xiàn)了在體軟組織生物力學特性的測量.基于磁共振影像實現(xiàn)組織器官的快速建模,并采用機器學習方法實現(xiàn)了高分辨率的快速計算.研發(fā)了磁共振快速成像技術,實現(xiàn)了圖像實時引導的介入,對結合個體化模型開展治療具有重要臨床意義.

北京航空航天大學王曉飛在其報告《視神經牽拉力在近視發(fā)生和發(fā)展中的作用》中,提出了近視發(fā)生的一種新假說,即近距離工作中,眼睛的輻輳(向內轉動)導致眼球在眼軸方向受到視神經的牽拉,可能是眼軸增長的一個貢獻因素.運用有限元模擬、視乳頭在體成像和三維應變追蹤等方法確認了眼動過程中視神經對眼球牽拉可引起眼后部的明顯變形,視神經的牽拉力與眼外肌力在同一數(shù)量級且作用于軸向;采用核磁共振成像,發(fā)現(xiàn)正常人和高度近視患者視神經的彎曲度存在差異,可能會導致其牽拉作用不同,推測在近距離工作時視神經的牽拉力可能會促使眼軸增長并導致近視的發(fā)生和發(fā)展.

太原理工大學高志鵬在其報告《完整角膜對生理眼壓的應變響應》中,針對LASIK 和SMILE 兩種屈光手術術后角膜的應變響應差異現(xiàn)象,用自制的球形探針配合傳統(tǒng)的材料試驗機(Instron 5544)測試了完整離體豬角膜的壓痕行為,分析了完整角膜在梯度眼壓(從20 mmHg 到60 mmHg)作用下的力學行為,并利用球對稱理論計算了完整角膜對不同生理眼壓的應變響應,以期揭示屈光手術前后角膜響應生理眼壓的生物力學機制.

重慶大學郝石磊在其報告《腦出血后腦損傷的力學機制與治療》中,針對腦出血后血腫占位效應誘導的力學腦損傷,構建體外靜壓力細胞模型,發(fā)現(xiàn)40 kPa 壓力作用下體外細胞活性顯著地降低,體內由50 μL 瓊脂糖凝膠誘導的占位效應出現(xiàn)明顯的組織損傷,力學通道蛋白Piezo-2 可介導靜壓力對周圍神經組織產生損傷,并且占位效應與繼發(fā)性腦損傷具有協(xié)同效應.基于腦出血后腦損傷機制和角蛋白良好的生物相容性,設計了角蛋白原位凝膠和鼻吸入納米粒用于治療腦出血后的占位效應、鐵超載和神經再生.

7 結語

上述專題報告涵蓋了生物力學的主要前沿領域,展示了我國青年學者近年取得的新成果.報告內容反映出以細胞分子生物力學、力學生物學和生物材料力學與仿生力學為代表的新興學科分支發(fā)展勢頭強勁;以骨骼-肌肉生物力學、血流動力學和生物流變學為代表的傳統(tǒng)優(yōu)勢學科研究繼續(xù)深入并與人類健康問題結合日益緊密;基于組織工程與再生醫(yī)學、臨床醫(yī)學與康復工程中的生物力學應用前景光明.研討會期間代表們全情投入、各抒己見,凸顯了我國生物力學領域的青年學者們活躍的學術思想和進取的科研精神,通過研討碰撞出學術的火花,結下了合作的友誼.

11月21日下午,研討會組織了面對面座談會,由浙江大學季葆華教授主持,與會青年代表與基金委孟慶國副主任、雷天剛處長、張攀峰處長進行了深切的交談,就工作中所遇到的困難,尤其是人才培養(yǎng)與項目申請方面的問題,以及生物力學學科發(fā)展所面臨的機遇與挑戰(zhàn)等展開了熱烈的討論.座談會最后環(huán)節(jié)是下一屆研討會承辦單位的競選,中國科學技術大學、電子科技大學、西安交通大學和上海大學等四家單位先后宣講,經全體正式參會代表不記名投票,建議由中國科學技術大學承辦2022 年第五屆全國生物力學青年學者學術研討會.