研究揭示软物质和生命物质应力松弛中转变行为的特征规律及其与多尺度结构的关联

软物质和生命物质力学是新兴的力学前沿交叉领域之一。生命体不同层级力学表征及其力学调控规律的研究是揭示生命活动奥秘的前沿基础以及发展现代生物医学工程、服务人类健康的需要。细胞、组织等生命物质的力学性质颇为复杂，兼具流体黏性和固体弹性，在不同的空间和时间尺度上表现出不同的力学行为，对定量的实验表征和本构模型的建立带来挑战。而水凝胶等软物质材料的材料属性与细胞、组织等生命物质相似并相对可控，同时作为细胞外基质，水凝胶等软物质材料的力学性质对调控细胞和组织的生物学功能至关重要。因此，关于水凝胶等极软材料的定量力学表征技术及其力学响应规律的研究，是探究生命物质力学特性的重要基础。 

中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室利用原子力显微镜技术发现，琼脂糖水凝胶的应力松弛在微米尺度上具有从短时间段多孔弹性指数松弛到长时间段黏弹性幂律松弛的转折特征（图1）。研究通过系统改变水凝胶的种类、浓度和力学测量的特征参数，发现并提出以多孔弹性为主导的水凝胶，应力松弛的转折时间由接触的特征尺度和网络内溶剂的扩散系数决定；而以黏弹性为主导的水凝胶，应力转折时间与无序网络的最小弛豫时间密切相关，与系统的特征尺度无关。该团队将上述成果与细胞和组织的应力松弛作对比，得到软物质与生命物质应力松弛的统一性表述，这为探究一系列生命物质的力学特性与生理病理的关联提供了实验框架与理论模型。 

上述成果验证了该团队建立的单细胞尺度的力-构耦合的力学模型。相关实验技术已应用于生物相分离液滴的界面力学特性及细胞与胞外基质力学相互作用等跨学科交叉合作研究。

相关研究成果以Crossover behavior in stress relaxations of poroelastic and viscoelastic dominant hydrogels为题，发表在《软物质》（Soft Matter）上。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。 

图1. 基于原子力显微镜技术的测量表明，多孔弹性与黏弹性两种不同的机制决定了水凝胶应力松弛中的转变现象，有助于理解细胞和组织的类似的力学行为。