华南理工大学边黎明教授团队、南京大学曹毅教授团队、西安交通大学林敏教授团队及四川大学魏强教授团队联合在 Materials Today 发表综述 “Materiomechanobiology: Bridging Material Sciences, Mechanics and Cell Biology for Advanced Therapeutics”。文章系统提出并梳理了Materiomechanobiology的理论框架：材料所携带的力学线索（刚度、粘弹性、形貌、动态加载等）如何通过“力学感知–信号转导–核内调控”的多层级过程，最终影响细胞行为、组织稳态与疾病进程。作为Materiobiology的重要分支，Materiomechanobiology在桥接材料生物学与生物力学的过程中，进一步指向再生医学、免疫治疗、抗纤维化与肿瘤治疗等多领域的材料设计原则与转化路径。
一、概念与框架：从mechanobiology与materiobiology走向“材料驱动的力学调控”
传统mechanobiology强调内/外源力如何经由黏附受体、细胞骨架与核骨架被转译为生化信号；materiobiology则聚焦材料的化学/结构性质对细胞的影响。综述将两者贯通：materiomechanobiology专注“材料导出的力学线索”如何在分子-细胞-组织尺度上塑形生命过程，并通过建模统一不同实验体系的观察，反推材料设计规则与治疗策略。文章以整合图示呈现从材料界面到细胞核的力学转导主干通路（整合素–Talin–vinculin、FAK/ILK–Rho GTPases–MAPK、离子通道Piezo1/TRPV4–Ca²⁺动态、LINC–核膜–染色质可及性/YAP等），强调力学与生化网络的耦合是实现精准调控的关键。
图1.细胞—材料作用与多层级机械转导总览：由界面受体起始，经细胞骨架与LINC传至细胞核并改变染色质状态与转录。
二、材料表面形貌如何“指令”细胞力学感知
界面是力学输入的起始。综述以形状/图案、粗糙度、柱/针阵列、纤维、沟槽/通道、曲率、桁架支架七类表面要素为主线，阐明其对黏附斑组装、应力纤维组织、核形态与牵引力分布的协同调控机制。
1.ECM形状/图案决定黏附与骨架的空间排布，形状各向异性ECM往往引导细胞分化朝着不同方向进行；复杂图案诱发边界处应力再分配与适应性的骨架和黏着斑重构。
2.粗糙度在纳米尺度可增大有效黏附面积、放大局部牵引；而在刚性基底的微米尺度，过高粗糙度会限制骨架延伸。
3.微/纳柱与纳米针构建细胞与基底间的离散与嵌入式接触；长的纳米针可形变核膜并诱发Lamin分层，重塑核周骨架与黏附强化的耦合。
4.纤维/沟槽通过定向锚定和空间约束双重机制诱导细胞极化，并显著影响核受力路径。
5.曲率与3D桁架塑造特殊粘附位置，细胞主动优化核牵引与应力纤维张力的构型；极端曲率诱发“悬桥式”骨架保形。
这一部分给出清晰结论：表面形貌不是被动“停靠台”，而是可编程的力学指令接口，能以空间—尺度—时间三要素联动塑造细胞机械转导。
图2.表面形貌-黏附-骨架-核力学：不同形貌如何改变黏附斑分布、应力纤维取向与核力路径。
三、材料-细胞力学响应：从静态刚度到时变粘弹性与非线性力学
综述强调材料的体相力学决定了力学信号的时间-频率-幅值轮廓。
1.弹性/刚度：在软/中/硬的生理窗口内，刚度选择性驱动MSC向神经/肌肉/骨系谱分化；梯度刚度触发正/负durotaxis取向迁移。
2.粘弹性/应力松弛：松弛速度是与刚度正交的第二轴；快松弛基底促进黏附整合素聚集、骨架张力建立与成骨分化；粘弹性还显著影响3D包埋体系的细胞扩展与ECM重塑。
3.非线性硬化：胶原/纤维蛋白等纤维网络的应变硬化与负法向应力为细胞提供独特的长程机械通信通道；高应变可引发不可逆重排/塑性。
4.刺激响应力学：光/热/pH/离子等触发可实现在位、可逆、时序可编程的力学调控（如光致交联密度调制、pH诱导溶胀改变渗流/渗透压等）。
5.渗透/渗流：GAG/PG赋予ECM吸水—膨胀—渗流机制，材料可通过带电网络/离子可逆键复刻组织水合与体积调控。
细胞持续采样材料的力学变化与流体学属性，并在多时间尺度上整合为表型输出。
图3.材料力学参数到细胞黏附/骨架/核力学/转录的映射关系。
四、数学建模：把“材料-细胞-组织”的多尺度链路写成方程
为统一不同系统下的观测，文章系统评述多尺度模型。
1.分子尺度：motor-clutch将肌球蛋白驱动的肌动蛋白逆流与整合素黏连随机结合/解离耦合，纳入Talin展开-vinculin招募-黏附增强的反馈，成功再现实验中随刚度上升牵引力增强的规律，并能扩展至黏附配体密度/间距/时序呈现等设计变量。
2.细胞尺度：Cellular Potts/有限元/离散粒子模拟微图案、曲率、受限通道中形态-牵引-核定位-迁移模式随几何/刚度/耗散的系统变化，并可复制黏附-骨架-核的空间互作。
3.组织尺度：顶点模型/多细胞 CMS 框架揭示上皮群体的集体迁移/集体durotaxis，阐明细胞—细胞张力与边缘力学对“群体鲁棒性”的调幅作用。
4.动态力学建模：将Maxwell/标准线性固体黏弹模型并入motor–clutch，可解释松弛时间对展铺与迁移的“非单调最优”；把周期拉伸的生化—力学耦合（FAK–Rho–应力纤维）写入速率方程，可预测应力纤维重取向与频幅相依性。
这些模型把材料参数化为可调输入，把牵引、展铺、迁移、分化等作为可计算输出，从而为 “以算促材、以材导治”提供了可验证的设计闭环。
图4.多尺度模型如何把“配体呈现/形貌/刚度/粘弹/动态加载”等输入，映射为牵引/展铺/迁移/形态/分化等输出的统一框架。
五、生物医学应用前景：由 Materiomechanobiology 启发的治疗策略
（1）组织工程：通过可编程力学微环境促进黏附、分化与器官发生相关过程；
（2）免疫治疗：利用力学线索非基因方式重编程免疫细胞；
（3）抗纤维化：以力学-生化耦合通路为靶点，恢复组织力学稳态；
（4）肿瘤治疗：重塑肿瘤微环境（TME）力学或校正癌细胞机械感知，提升疗效与递药效率；
（5）类器官工程：以精准材料与力学提示构建更拟真的发育/疾病模型与药筛平台。
六、展望：迈向“以材定命”的力学生物治疗学
材料力学生物学正处在快速发展的关键阶段，但仍面临若干核心科学与转化挑战。
首先，在机制层面，我们对细胞内机械力如何在分子水平上传递与转导的理解仍有限。虽然已有证据表明机械应力可以影响基因转录，但其直接作用通路与靶点尚未完全明确，相关的蛋白质翻译后修饰也知之甚少。此外，整合素、受体酪氨酸激酶、机械敏感离子通道等多种受体之间的复杂互作关系依旧待解。细胞究竟如何通过生化信号与力学感知的耦合来识别环境，仍是未来研究的重点。
其次，动态力学环境的时空控制是另一大难题。发育、纤维化等过程中，ECM的刚度与粘弹性都会随时间演变，其对器官形成和疾病发生的深远影响仍未被系统揭示。同时，机械力还与代谢、免疫和分泌等过程密切交织，例如应力可改变能量状态或调节细胞因子分泌。这种跨过程耦合需要更深入的探究。
在技术层面，新兴手段正在为该领域提供前所未有的机遇。人工智能与机器学习已开始用于预测和设计具备特定力学属性的功能材料；微流控与类器官芯片结合可编程机械刺激，使研究者能够精准重建复杂的生物力学微环境；实时生物传感器的进步则加速了实验—设计—验证的闭环。
然而，要推动临床转化，还必须跨越现实障碍：不同患者体内力学环境差异大，规模化制造中保持可重复力学性质存在困难，机敏型材料的监管标准仍不明确。同时，当前缺乏统一的力学表征标准，实验条件和量纲差异导致结果难以横向比较。建立社区共识与基准体系将是未来落地应用的前提。
简而言之，未来的发展方向在于：揭示细胞机械机制的分子细节，与新型材料设计深度结合，以推动更精准的再生医学与疾病治疗。通过跨学科协作和标准化建设，Materiomechanobiology有望成为连接基础研究与临床应用的关键桥梁。
张琨雨、朱鸿源、孙骞、杨佳鹏为论文共同第一作者。边黎明教授、曹毅教授、林敏教授及魏强教授为论文共同通讯作者。
原文链接：Materials Today
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125003578?dgcid=coauthor