A three-dimensional computational model of collagen network mechanics.
A three-dimensional computational model of collagen network mechanics.
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胶原网络力学的三维计算模型
DOI：
10.1371/journal.pone.0111896
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发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
3.7
通讯作者：
Jiang Y
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Lee B;Zhou X;Riching K;Eliceiri KW;Keely PJ;Guelcher SA;Weaver AM;Jiang Y
细胞外基质（ECM）强烈影响细胞的行为，包括细胞增殖，粘附，特别是迁移。在癌症中，基质胶原环境的刚性被认为控制肿瘤的侵袭性，并且胶原排列与肿瘤细胞侵袭有关。虽然胶原蛋白在单纤维规模和散装凝胶规模的机械性能都得到了很好的研究，但纤维网络如何在结构和机械上对局部应力或变形做出反应却知之甚少。这种中等规模的知识对于理解细胞-ECM相互作用是重要的，并且是本研究的重点。我们已经开发了一个三维弹性胶原纤维网络模型（珠和弹簧模型），并研究了各种生物物理条件下的纤维网络行为：胶原密度，交联剂强度，交联剂密度和纤维取向（随机与预对齐）。我们发现最适合的交联剂参数值使用剪切模拟测试在一个小的应变区域。使用这个校准的胶原蛋白模型，我们模拟了剪切和拉伸试验中的一个大的线性应变区域不同的网络几何条件。结果表明，网络的几何形状是纤维网络的机械性能的关键决定因素。我们进一步展示了纤维网络结构和力学如何随着局部形成而演变，模仿了细胞迁移过程中伪足拉动的效果。我们的计算纤维网络模型是迈向各种ECM条件下细胞行为的完整生物力学模型的一步。
Extracellular matrix (ECM) strongly influences cellular behaviors, including cell proliferation, adhesion, and particularly migration. In cancer, the rigidity of the stromal collagen environment is thought to control tumor aggressiveness, and collagen alignment has been linked to tumor cell invasion. While the mechanical properties of collagen at both the single fiber scale and the bulk gel scale are quite well studied, how the fiber network responds to local stress or deformation, both structurally and mechanically, is poorly understood. This intermediate scale knowledge is important to understanding cell-ECM interactions and is the focus of this study. We have developed a three-dimensional elastic collagen fiber network model (bead-and-spring model) and studied fiber network behaviors for various biophysical conditions: collagen density, crosslinker strength, crosslinker density, and fiber orientation (random vs. prealigned). We found the best-fit crosslinker parameter values using shear simulation tests in a small strain region. Using this calibrated collagen model, we simulated both shear and tensile tests in a large linear strain region for different network geometry conditions. The results suggest that network geometry is a key determinant of the mechanical properties of the fiber network. We further demonstrated how the fiber network structure and mechanics evolves with a local formation, mimicking the effect of pulling by a pseudopod during cell migration. Our computational fiber network model is a step toward a full biomechanical model of cellular behaviors in various ECM conditions.
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影响因子：
3.7
作者：
Alberts JB
通讯作者：
Alberts JB
影响因子：
2.7
作者：
Buehler, Markus J.
通讯作者：
Buehler, Markus J.
DOI：
10.1126/science.1176009
发表时间：
2009-11-27
期刊：
Science (New York, N.Y.)
影响因子：
--
作者：
Hynes RO
通讯作者：
Hynes RO
影响因子：
14
作者：
Charulatha, V;Rajaram, A
通讯作者：
Rajaram, A
影响因子：
8.6
作者：
Onck, PR;Koeman, T;van der Giessen, E
通讯作者：
van der Giessen, E