The extracellular matrix provides macroscale structural support to tissues as well as microscale mechanical cues, like stiffness, to the resident cells. As those cues modulate gene expression, proliferation, differentiation, and motility, quantifying the stiffness that cells sense is crucial to understanding cell behavior. Whereas the macroscopic modulus of a collagen network can be measured in uniform extension or shear, quantifying the local stiffness sensed by a cell remains a challenge due to the inhomogeneous and nonlinear nature of the fiber network at the scale of the cell. To address this challenge, we designed an experimental method to measure the modulus of a network of collagen fibers at this scale. We used spherical particles of an active hydrogel (poly N-isopropylacrylamide) that contract when heated, thereby applying local forces to the collagen matrix and mimicking the contractile forces of a cell. After measuring the particles’ bulk modulus and contraction in networks of collagen fibers, we applied a nonlinear model for fibrous materials to compute the modulus of the local region surrounding each particle. We found the modulus at this length scale to be highly heterogeneous, with modulus varying by a factor of 3. In addition, at different values of applied strain, we observed both strain stiffening and strain softening, indicating nonlinearity of the collagen network. Thus, this experimental method quantifies local mechanical properties in a fibrous network at the scale of a cell, while also accounting for inherent nonlinearity.

中文翻译：

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细胞长度尺度下的纤维胶原模量

细胞外基质为组织提供宏观结构支持，并为常驻细胞提供微观机械线索，如刚度。由于这些线索调节基因表达、增殖、分化和运动，因此量化细胞感知的刚度对于理解细胞行为至关重要。虽然胶原网络的宏观模量可以在均匀延伸或剪切下测量，但由于细胞尺度上纤维网络的不均匀和非线性特性，量化细胞感知的局部刚度仍然是一个挑战。为了应对这一挑战，我们设计了一种实验方法来测量这种规模的胶原纤维网络的模量。我们使用了加热时收缩的活性水凝胶（聚 N-异丙基丙烯酰胺）的球形颗粒，从而对胶原基质施加局部力并模拟细胞的收缩力。在测量了胶原纤维网络中颗粒的体积模量和收缩后，我们应用了纤维材料的非线性模型来计算每个颗粒周围局部区域的模量。我们发现在这个长度尺度上的模量是高度异质的，模量变化为 3 倍。此外，在不同的施加应变值下，我们观察到应变硬化和应变软化，表明胶原网络的非线性。因此，这种实验方法在细胞尺度上量化了纤维网络中的局部机械特性，同时也考虑了固有的非线性。在测量了胶原纤维网络中颗粒的体积模量和收缩后，我们应用了纤维材料的非线性模型来计算每个颗粒周围局部区域的模量。我们发现在这个长度尺度上的模量是高度异质的，模量变化为 3 倍。此外，在不同的施加应变值下，我们观察到应变硬化和应变软化，表明胶原网络的非线性。因此，这种实验方法在细胞尺度上量化了纤维网络中的局部机械特性，同时也考虑了固有的非线性。在测量了胶原纤维网络中颗粒的体积模量和收缩后，我们应用了纤维材料的非线性模型来计算每个颗粒周围局部区域的模量。我们发现在这个长度尺度上的模量是高度异质的，模量变化为 3 倍。此外，在不同的施加应变值下，我们观察到应变硬化和应变软化，表明胶原网络的非线性。因此，这种实验方法在细胞尺度上量化了纤维网络中的局部机械特性，同时也考虑了固有的非线性。我们发现在这个长度尺度上的模量是高度异质的，模量变化为 3 倍。此外，在不同的施加应变值下，我们观察到应变硬化和应变软化，表明胶原网络的非线性。因此，这种实验方法在细胞尺度上量化了纤维网络中的局部机械特性，同时也考虑了固有的非线性。我们发现在这个长度尺度上的模量是高度异质的，模量变化为 3 倍。此外，在不同的施加应变值下，我们观察到应变硬化和应变软化，表明胶原网络的非线性。因此，这种实验方法在细胞尺度上量化了纤维网络中的局部机械特性，同时也考虑了固有的非线性。