生物界面黏附水凝胶的多尺度力学设计及其应用

目的生物黏附水凝胶在生物医学、可穿戴设备、软体机器人等新兴工程技术领域有着广阔的应用前景。方法从跨尺度力学角度入手,综合利用分子动力学、生物分子黏附力学和连续介质力学等理论分析和数值仿真方法解构水凝胶的黏附机理,提出了基于生物分子的Catch bond(逆锁键)黏附机理、非DLVO长程力介导的油脂界面黏附方法,构建了小分子扩散驱动的特异性界面黏接理论模型。结果和结论在此基础上,研发了低温可注射的明胶基水凝胶,设计了速率敏感的生物相容性的组织黏接凝胶新材料,实现对多种水凝胶的可编程、通用、超强、高效、坚韧和可逆的电黏附,构建了瞬时超强组织界面黏接新材料和新方法,其在液相环境下对生物组织的黏接强度高达150 k Pa。本文基于多尺度力学设计原理研发了适于低温、脂肪界面及液下环境的生物组织黏接水凝胶材料,并实现了口腔黏膜靶向给药、促进慢性炎症伤口愈合、全层伤口脂肪组织闭合,动物实验结果表明上述生物界面黏附材料在生物医学领域有广阔应用前景。

细菌与宿主细胞界面相互作用的力学生物学机制研究

目的由致病菌和耐药菌造成的感染已经严重威胁了全球公共卫生安全。病原菌感染过程通常涉及细菌、宿主细胞和基质微环境三者之间复杂界面力学相互作用。近年来的研究表明力学微环境通过影响细菌或宿主细胞的行为和功能进而调控细菌黏附和后续入侵过程。尽管细菌感染相关分子机制和生化机制已被广泛研究,然而病原菌与宿主细胞界面相互作用的力学生物学机制仍不明晰。方法、结果、结论本研究基于体外细菌感染模型、单细胞力谱技术、单细胞RNA测序技术、蒙特卡洛模拟和动物伤口感染实验等方法探究细菌与宿主细胞界面力学相互作用,从力学生物学视角揭示了细菌与宿主细胞黏附和入侵的时空动态规律,定量揭示了细菌与细胞间的黏附力与细菌空间异质性黏附之间的内在关联性,阐明了几何约束、细胞外基质刚度和环境渗透压等因素调控细菌与宿主细胞感染的力学生物学机制,识别了Ⅱ型胶原蛋白、Ⅳ型胶原蛋白和Piezo1蛋白在细菌黏附和后续入侵中的关键调控作用,证实了Ⅳ型胶原蛋白抑制剂(VU6015929)和Piezo1抑制剂在其中的重要抗菌机制,为抗生素辅剂的筛选和临床上改善细菌抗生素治疗方案提供了新的思路和策略。

基于深度学习的细胞力反演新方法及其应用研究

目的细胞与胞外基质相互作用产生的牵引力/生长力与细胞的黏附、迁移等一系列活动均密切相关,实现对细胞牵引力/生长力的准确定量表征具有重要的生理、病理学意义。牵引力显微镜是一种目前被广泛应用于细胞牵引力/生长力测定的表征方法,其根据胞外基质中荧光标记物的位置变化确定位移场的分布,进而结合相应的力学模型以实现对细胞力的反演。

基质刚度调控细胞-细菌相互作用的力学生物学机制研究

目的致病菌劫持并内化入宿主细胞造成持续感染和继发感染。然而,细胞外基质刚度等力学微环境因素如何调节细菌感染及抗菌治疗的力学生物学机制尚不明晰。方法结合细胞微图案化技术构建刚度可调的细胞外基质力学微环境,建立宿主细胞-细菌相互作用实验平台,基于细胞牵引力显微镜方法、原子力显微镜技术、蒙特卡洛模拟算法和单细胞测序技术研究细胞-细菌相互作用的时空动态特征和规律,在此基础上定量探究基底刚度对于内化细菌抗生素治疗的调节作用和机制。