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物理学 > 应用物理

arXiv:2510.01604 (physics)
[提交于 2025年10月2日 ]

标题: 张力结构与数据驱动分析在三维细胞力学中的应用

标题: Tensegrity structures and data-driven analysis for 3d cell mechanics

Authors:Ziran Zhou, Jacinto Ulloa, Guruswami Ravichandran, Jose E. Andrade
摘要: 细胞骨架(CSK)在许多细胞功能中起着重要作用。 鉴于张力结构的力学行为与CSK之间的相似性,许多研究提出了不同的基于张力结构的模型来模拟细胞力学。 然而,大多数张力单元的低对称性阻碍了对真实三维结构的分析。 因此,基于张力结构的细胞力学建模主要集中在单个细胞或单层细胞上。 在本文中,我们提出了一种基于有限元方法的三维张力模型,用于模拟三维细胞力学。 我们证明,所提出的模型不仅能够捕捉单个细胞在压入试验中的非线性和单层细胞在拉伸试验中的非线性,还能捕捉多细胞球体在非均匀预应力设计下的非均匀应力分布。 此外,我们引入了一种多尺度数据驱动框架用于细胞力学,以优化计算,从而为模拟大型细胞集合(如器官)的机械生物学铺平道路。
摘要: The cytoskeleton (CSK) plays an important role in many cell functions. Given the similarities between the mechanical behavior of tensegrity structures and the CSK, many studies have proposed different tensegrity-based models for simulating cell mechanics. However, the low symmetry of most tensegrity units has hindered the analysis of realistic 3D structures. As a result, tensegrity-based modeling in cell mechanics has been mainly focused on single cells or monolayers. In this paper, we propose a 3D tensegrity model based on the finite element method for simulating 3D cell mechanics. We show that the proposed model not only captures the nonlinearity of a single cell in an indentation test and a monolayer in stretch test but also the non-uniform stress distribution in multicellular spheroids upon non-uniform prestress design. Furthermore, we introduce a multiscale data-driven framework for cellular mechanics to optimize the computation, thus paving the way for modeling the mechanobiology of large cellular assemblies such as organs.
主题: 应用物理 (physics.app-ph)
引用方式: arXiv:2510.01604 [physics.app-ph]
  (或者 arXiv:2510.01604v1 [physics.app-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2510.01604
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)
相关 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cma.2025.118406
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来自: Ziran Zhou [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 10 月 2 日 02:37:54 UTC (5,631 KB)
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