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  活性軟組織的屈曲和折疊不僅是細(xì)胞適應(yīng)擁擠環(huán)境的保護(hù)機(jī)制，而且是更好履行其生理學(xué)功能的重要途徑，如大腦、小腸內(nèi)壁等通過褶皺增加表面積來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。現(xiàn)有的研究中，生物軟組織的失穩(wěn)研究通常被視為靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)過程，但它們在較短時間尺度上對動態(tài)載荷的響應(yīng)仍然難以捉摸。最近，一項(xiàng)有趣的實(shí)驗(yàn)表明，上皮組織作為一層薄的活性軟組織，在動態(tài)壓縮下表現(xiàn)出迥異于惰性材料的屈曲行為。首先，在高壓縮應(yīng)變率下，它經(jīng)歷了高階(如三階)屈曲模態(tài)[圖1(a)]，這在軟組織的靜態(tài)力學(xué)研究中很少報(bào)道。其次，在一定的壓應(yīng)變范圍內(nèi)(ε≤0.35)，屈曲形態(tài)可以自發(fā)地恢復(fù)到平面狀態(tài)，這是傳統(tǒng)屈曲或后屈曲理論無法充分解釋的[圖1(b)]。第三，變平后，上皮組織呈現(xiàn)出一定的張力恢復(fù)，這與屈曲惰性材料也有很大不同。此外，上皮組織與細(xì)胞都表現(xiàn)出驚人的標(biāo)度律流變響應(yīng)特征。目前，動態(tài)載荷下細(xì)胞與軟組織等活性生物材料的變形行為和力學(xué)機(jī)制，特別是在較短的時間尺度下，仍然知之很少。

圖 1 不同應(yīng)變率下上皮組織的高階屈曲以及自發(fā)恢復(fù)的后屈曲行為。

圖 2 上皮組織受壓屈曲后的應(yīng)力演化全過程。

高應(yīng)變率下軟組織的高階屈曲行為

圖 3 軟組織屈曲模態(tài)與應(yīng)變率的解析關(guān)系。

軟組織自發(fā)恢復(fù)的后屈曲行為

圖 4 軟組織自發(fā)恢復(fù)過程中，變平時間與加載應(yīng)變和應(yīng)變率的解析關(guān)系。

圖 5 軟組織變平后主動張力的恢復(fù)比與加載應(yīng)變的解析關(guān)系。

不同應(yīng)變和應(yīng)變率下的應(yīng)力演化路徑

圖 6 大范圍壓應(yīng)變和應(yīng)變率下軟組織形態(tài)演化的相圖。

  以上研究成果以“Dynamic high-order buckling and spontaneous recovery of active epithelial tissues”為題于11月15日在線發(fā)表在固體力學(xué)旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。論文第一作者為西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院多尺度力學(xué)-醫(yī)學(xué)交叉實(shí)驗(yàn)室博士生王歡，通訊作者是西安交通大學(xué)徐光魁教授和清華大學(xué)馮西橋教授。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022509623003009