波動熵力源於熱擾動，在納米尺度是極為重要的一種普適的長程力。特別是波動熵力在眾多細胞進程中發揮了極為重要的作用。例如，通過影響細胞粘附，波動熵力能夠充分地調控癌細胞的轉移過程。因此，對波動熵力性質及其作用的研究構成了微/納米尺度科學研究的重要基礎。然而，波動熵力基本的作用規律及其性質尚未完全清楚，是當前微/納米尺度科學研究中的一個重要的挑戰。
中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室（LNM）“生物及仿生材料力學”課題組助理研究員李龍和研究員宋凡，與國內外相關研究人員合作，以波動熵力為切入點，圍繞細胞粘附的力學調控機制，逐層深入地開展了系統的研究工作，並取得系列研究成果。
（1）基於彈性力學、統計力學理論，獲得了波動熵力（f）的基本力律，得到實驗驗證，並進一步給出了波動熵力的主要力程。在此基礎上證明了，當膜間平均距離（c）足夠小時，Helfrich提出的f ~ c-3力律關係與Freund提出的f ~ c-1力律關係分別為本研究結果的上限與下限，為結束當前關於波動熵力力律的國際爭論奠定了理論基礎 (Acta Mech. Sinica, 2016, 32: 970-975 (AMS 2018 Best Paper Award); Phys. Rev. E, 2017, 95: 012403; Adv. Mech., 2018, 48: 201801; Sci. China. Phys. Mech., 2018, 61: 128711)。
（2）在研究了波動熵力基本規律的基礎上，探究了該熵力在細胞粘附過程中發揮的作用。首先研究了波動熵力對粘附蛋白鍵合作用的影響，建立了考慮波動熵力影響的細胞粘附多尺度模型。研究表明細胞膜上引入脂筏前後，波動熵力對膜間受體-配體鍵合的影響由抑制作用變為了促進作用。其本質原因在於，在波動熵力的作用下，脂筏內的蛋白質聚集引起的細胞膜構象熵增加。從而揭示了波動熵力與脂筏在膜間受體-配體相互作用過程中的協同效應，為現存的相互矛盾的實驗結果提供了新的解釋 (Soft Matter, 2017, 13, 4294-4304; Phys. Rev. E, 2018, 97: 012405; Soft Matter, 2019, 15, 3507-3514 (Cover article))。
其次，研究了波動熵力對細胞粘附過程中粘附蛋白分佈的影響，構建了多尺度計算模型及平均場理論模型。研究結果顯示，由於粘附蛋白在脂筏區內鍵合前後的平動熵損失量小於在非脂筏聚集區內鍵合前後平動熵的損失量，使得受體-配體的鍵合作用促進了脂筏聚集相變，進而引起粘附蛋白的聚集。理論分析結果表明，波動熵力會使得受體-配體結合體間產生吸引作用。藉助粘附蛋白與脂筏間的親和性，波動熵力可以進一步促進脂筏聚集相變與粘附蛋白聚集(Nano Lett., 2020, 20, 1: 722-728)。文章一經發表，“納米人”即對該項結果進行了專欄報道，指出“即使在非吸附膜中大尺度的團簇是熱力學不穩定的，細胞間受體-配體結合和膜的形狀波動也會導致受體在粘附膜內聚集。”
以上研究工作得到國家自然科學基金(11472285, 11902327, 11972041)、中科院戰略性先導科技專項（B類）(XDB22040102)、國家重點研發計劃(2016YFA0501601)等資助。
圖1 理論結果與實驗結果對比以及膜間距c很小時，波動熵力f 的上限值和下限值
圖2 對於均質膜系統（細胞膜上無脂筏，僅含有粘附蛋白），波動熵力抑制了受體-配體鍵合（子圖），而在含有脂筏的多組分膜系統中，波動熵力促進了受體-配體鍵合
圖3 波動熵力促進了蛋白質聚集與脂筏相變：對於平板膜系統，此時膜間無波動熵力，脂筏發生相變時所需的脂筏間吸引力為0.88U0*。引入波動熵力後，即對於波動膜系統而言，該值降為0.81U0*
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