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不仅是揭示生命活动奥秘的前沿基础，而且是发展现代生物医学工程、服务人类健康的重大需求。但细胞、组织等生命物质的力学性质极为复杂，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截然不同的力学行为。这给定量的实验表征和本构模型的建立带来了极大的挑战。而水凝胶等软物质材料，一方面其材料属性与细胞、组织等生命物质相似并相对可控；另一方面作为细胞外基质其力学性质对调控细胞和组织的生物学功能至关重要。因此，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。 

　　中国科学院力学所非线性力学国家重点实验室研究团队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）。通过系统改变水凝胶的种类、浓度和力学测量的特征参数，发现并提出对于多孔弹性为主导的水凝胶，其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；而对于黏弹性为主导的水凝胶，其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。该结果进一步与细胞与组织的应力松弛进行对比，得到了软物质与生命物质应力松弛的统一性表述，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实验框架与理论模型。 

　　相关研究成果以“Crossover behavior in stress relaxations of poroelastic and viscoelastic dominant hydrogels”为题发表于Soft Matter上，并选为封面论文（图2）。博士生李航宇为论文第一作者，关东石研究员为通讯作者，并被期刊选为“Soft Matter新锐科学家”长文报道相关工作。该项工作验证了该团队建立的单细胞尺度的力-构耦合的力学模型[Physical Review Research 3, 043166 (2021)]，相关实验技术已应用于生物相分离液滴的界面力学特性[Developmental Cell, 58, 919 (2023)]及细胞与胞外基质力学相互作用[Bioengineering, 10, 384 (2023); Advanced Functional Materials, 2305414 (2023)]等跨学科交叉合作研究之中。该工作得到国家重点研发计划(No. 2021YFA0719302)、国家自然科学基金(No.11972351)项目资助。 

　　论文链接：https://doi.org/10.1039/D3SM00592E 

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，这有助于更好地理解细胞和组织的类似的力学行为

图2  Soft Matter封面论文