力是使物體變形、運動和/或改變運動狀態(tài)的機械作用。機體處于力學環(huán)境之中，機體的各項生命活動均受力學因素的影響。力不僅誘導(dǎo)機體組織細胞生變形效應(yīng)和/或運動效應(yīng)，而且可引發(fā)復(fù)雜的生理功能改變。生物力學(biomechanics)是研究生命體變形和運動的學科，通過生物學與力學原理方法的有機結(jié)合，認識生命過程的規(guī)律，解決生命與健康領(lǐng)域的科學問題。上世紀90年代以來，隨著科學技術(shù)的進步，生物力學的研究逐漸深入到細胞分子層次，生物力學自身也在不斷發(fā)展。
 

　　力學生物學(mechanobiology)就是生物力學的一個新興的多學科領(lǐng)域，主要包括肌細胞和發(fā)育生物學、生物工程和生物物理學。力學生物學主要通過研究力學環(huán)境對生物體健康、疾病或損傷的影響，闡明力與機體發(fā)育、生長、重建、適應(yīng)性變化和修復(fù)等的相互關(guān)系，從而促進病理機制的研究和發(fā)展有效的治療策略。力學生物學的研究重心側(cè)重于機械力調(diào)控組織的形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化過程，即組織如何通過細胞對力學刺激產(chǎn)生反饋，維持形態(tài)結(jié)構(gòu)并適應(yīng)環(huán)境。研究的問題主要涉及力學刺激信號、信號傳導(dǎo)通路和細胞受力后的反應(yīng)過程三大部分的內(nèi)容。
 

　　生物體內(nèi)的細胞生長在復(fù)雜的三維基質(zhì)結(jié)構(gòu)中，外界力學作用通過基質(zhì)傳導(dǎo)至細胞各處，刺激細胞功能，進而影響組織生長和重建。力學刺激( 如壓力、拉力、剪切力等)在調(diào)節(jié)細胞行為中發(fā)揮重要作用，通過研究細胞的力學響應(yīng)規(guī)律可以為疾病治療提供參考。科學技術(shù)的發(fā)展使得物理力的測量和力學感受器如何跨結(jié)構(gòu)感知和響應(yīng)物理力等的研究成為可能。新的實驗工具和理論模型在科研領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用，使得力學刺激對機體組織器官代謝和功能的影響進一步被研究。近年來，研究人員清楚的認識到，機械力在器官形成過程中促進和調(diào)控關(guān)鍵的細胞過程。這類機械調(diào)節(jié)通過細胞與ECM的相互作用、細胞骨架張力形成、細胞間的連接等復(fù)雜的機械信號感知其所在的物理微環(huán)境，并伴隨產(chǎn)生肌肉神經(jīng)活動、細胞增殖、分化、凋亡和遷移等生物化學改變來調(diào)節(jié)其在組織中的行為。盡管不同的細胞類型機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的表現(xiàn)形式有很大的區(qū)別，但其潛在的細胞和分子機制基本一致。幾乎每一種蛋白都以使其自由能最小化的構(gòu)象存在，施加在蛋白上的外力會改變其能量平衡導(dǎo)致蛋白構(gòu)象改變從而改變其活性，因此，任何在細胞結(jié)構(gòu)中受到力的作用的蛋白質(zhì)都有可能成為機械傳感器。機械敏感蛋白位于質(zhì)膜的拉伸激活離子通道，拉伸激活的離子通道并不單獨起作用，而是與肌動蛋白和微管細胞骨架協(xié)同發(fā)揮作用。細胞質(zhì)膜不僅會受到剪切流等外力的影響，還會受到細胞骨架聚合、滲透壓等內(nèi)力的影響。細胞與細胞或ECM的連接，構(gòu)成了細胞機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的平臺。機械應(yīng)力可以轉(zhuǎn)化為與器官發(fā)生的遺傳程序相結(jié)合的信號，在胚胎發(fā)育、成體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和組織器官再生過程中發(fā)揮重要作用。細胞通過將機械刺激轉(zhuǎn)化為生化信號來對物理環(huán)境變化做出反應(yīng)，細胞在二維或三維組織環(huán)境中不斷感知其所在的物理微環(huán)境，調(diào)節(jié)細胞分化和運動等在組織中的行為，進而調(diào)節(jié)細胞功能。這種傳感需要復(fù)雜的機械信號機制，包括細胞與ECM的相互作用和細胞間的連接。目前，體外細胞加載的主要方式有流體剪切加載、離心加載、基底形變加載和真空負壓加載。其中，基底形變加載方式適用于各種貼壁細胞的體外力學實驗，是目前一種重要的實驗方法。此類儀器的基本原理為: 將細胞接種于柔性培養(yǎng)腔室內(nèi)，進而通過機械裝置對依附腔室底面的細胞進行間接應(yīng)變刺激。加載過程中需置于培養(yǎng)箱內(nèi)以保證細胞適宜的生長環(huán)境。
 

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