生物力学

• 研究意义

  生命体时刻处于复杂的力学环境中，因而力对生命体的各层次的生命活动起着重要的调节作用。研究力与生命活动的内在关联规律将为理解生命活动、揭示疾病机制提供新的钥匙。

• 研究方向和目标

  面向人民生命健康，开展跨尺度交叉研究，探究“力”对生命体各层次生理与病理活动的影响及调控机制，为指导药物研发与新型治疗手段开发提供基础与参考，解决生命、健康与医学领域的科学问题。

• 细胞-分子生物力学

  1. Laplace压力对细胞分裂的影响

     细胞分裂是生物体生长、发育与繁殖的基础，该过程依赖于Laplace压力的调控。突破了细胞Laplace压力实时测量技术壁垒；获得细胞分裂周期内细胞Laplace压力变化规律；赋予了Laplace压力新的生理作用；提出了调控细胞分裂对称性的力学机制。

     

  2. 膜张力对细胞死亡的影响

     铁死亡是一种铁依赖性的新型细胞程序性死亡方式。确立了细胞表面张力、VDAC1基因移码突变和癌细胞增殖转移三者的关联，阐明了细胞表面张力对结直肠癌铁死亡敏感性的影响，为结直肠癌病理研究提供理论支持。

     

  3. 波动熵力对蛋白质相互作用的影响

     受体—配体相互作用调控着细胞粘附、信号转导、癌症转移等关键生理与病理过程。建立了波动熵力的基本力律及作用规律；确立了波动熵力对受体—配体键合的影响；证实了波动熵力对免疫突触形成的影响。

     

• 眼生物力学

  青光眼、白内障、近视眼这三类最重要的眼科疾病的发生、发展均与力学环境关系密切。建立了在眼内压作用下的筛板力学新模型，揭示青光眼视神经损伤机制及青光眼的发病机理；确定了晶状体蛋白逾渗相变规律及其对磁场响应规律；明确了眼角膜的力学性能机制；为眼科疾病防治提供了力学方法。

  

• 代表性成果

  • Coordination Chemistry Reviews, 2022

  • Cell Death & Differentiation, 2018, 2022

  • Nature Communications, 2020

  • National Science Review, 2020

  • Nano Letters, 2020

  • iScience, 2021

  • Soft Matter, 2021(a)、(b), 2019, 2017

  • Journal of Molecular Biology, 2023

  • Acta Biomaterialia, 2017

仿生材料力学

• 研究意义

  仿生学是模仿生物系统功能和行为的一门科学。随着科学的发展和生产技术的需要，人类观察自然、模仿自然，将自然界作为技术思想和创造发明的源泉，设计制备了很多具有优异性能的材料，推动着人类社会文明的发展与进步。

• 研究方向和目标

  面向国防科技与武器装备等国家重大战略需求，师法自然，研究生物体的结构与功能工作的原理，创新设计方法，用于防热、物质输运等领域。

• 仿生增韧与防热

  围绕材料韧性与防热问题，针对贝壳珍珠母和昆虫翅膜，证实了在贝壳珍珠母的有机基质层中存在矿物桥，建立了珍珠母的“砖-桥-泥”微结构模型，为高强韧性先进工程材料的界面微结构设计提供了新的仿生原理和应用模型；确定了昆虫翅膜表面微结构特征及其力学性能，将生物表面超疏水微结构拓展为工程材料防热表面微结构，提出表面微结构防热的新概念。

    

• 仿生智能液体输运

  1. 电场响应微结构表面液滴操控

     将介电弹性体基底与微纳米结构结合获得了具有微纳米结构的超疏水表面，并通过施加电场控制该超疏水表面的浸润性、粘附力以及液滴的动态行为。解决了柔性基底表面液体浸润性控制灵活性差、可逆性差、难以与实际应用相结合等问题。在液体无损输运、生物传感的方面具有重要价值。

     

  2. 拉伸响应固液复合微纳结构表面液滴驱除

     以液体稳定连续输运为目标，将微结构弹性薄膜与润滑油相结合得到微结构固液复合表面，通过非对称拉伸，改变相邻V型棱柱结构之间的间距，使液滴定向移动。由于该VPM固液复合表面具有驱除液滴的性能，在潮湿环境中，有利于定向集水和排水，在有效定向集液排液、自清洁、防腐、减阻等方面具有广阔的应用前景。

     

  3. 弯曲控制微纳结构表面液体输运方向

     以提高液体在表面输运可控性为目标，利用柔性微结构薄膜的疏水性和曲率变化调整液体在表面的输运方向。VPM弹性薄膜可以用作控制液体输运方向的阀门，在水收集、微流体装置以及微反应器等液体可控定向输运方面具有重要应用。

     

• 代表性成果

  • Advanced Materials, 2017

  • Advanced Science, 2020

  • ACS Nano, 2021, 2022, 2023

  • Journal of Materials Chemistry A, 2020

  • Advanced Functional Materials, 2018

  • ACS Applied Materials & Interfaces, 2017

  • Materials Horizon, 2022

  • Physical Review Letters, 2008, 2010

  • Biomaterials, 2003

材料热力损伤

• 研究意义

  陶瓷性脆，当它所处环境温度急剧变化的时候，容易发生热震失效，例如陶瓷涂层，陶瓷天线窗和天线罩等，都有热震失效的问题。若能减少热震损失，在工程和经济上意义重大。

• 研究方向和目标

  陶瓷或陶瓷涂层材料已广泛应用于航空航天等高温复杂环境。易受到瞬间热载荷作用而发生热震损伤。研究材料热震中多场耦合断裂过程的复杂性，探讨陶瓷退化失效机理，包括热震相关的系统和定量的试验、理论和数值研究，以期提升材料在极端环境下的性能。

• 陶瓷材料的热震裂纹实时观测

  陶瓷热震关键的科学问题在于热震裂纹萌生扩展与预测。为了解决这个科学问题，首先需要对热震裂纹萌生扩展进行实时观测。通过引入半透明陶瓷，建立了一个试验平台，当陶瓷受到冷、热冲击出现裂纹的时候，可以通过光线的折射和反射把裂纹辨识出来。

    

• 裂纹扩展速度对陶瓷动态应力强度因子的影响

  热震裂纹扩展速度很大程度上取决于陶瓷动态临界应力强度因子。传统试验研究只有100 m/s速度范围内的动态临界应力强度因子。通过含预制裂纹氧化铝陶瓷在火焰热冲击下裂纹扩展过程的实时观测实验、理论近似和数值模拟，第一次确定了在100 m/s ~ 2600 m/s速度范围内，动态临界应力强度因子与裂纹扩展速度的关系。

      

• 材料参数对陶瓷热震裂纹扩展的影响

  热震过程中具有多场耦合断裂的复杂性，断裂破坏的模拟分析在材料或结构设计中具有重要作用。采用相场法研究了不同材料参数对热冲击裂纹的影响。找到了对裂纹形貌和扩展速度影响最大的材料参数。此外，对多种陶瓷进行了热震试验，相场计算结果与试验结果一致。验证了相场法适用于模拟陶瓷材料的热震裂纹扩展。

  

    

• 非透明陶瓷材料的热震裂纹实时观测

  采用自制的水淬系统对多种非透明陶瓷进行了热震试验。利用高速数字图像相关(DIC)技术记录了试验过程中的热震开裂过程。通过分析样品表面散斑图像的变化，实现了多种陶瓷热震裂纹萌生和扩展过程的实时观测。拓展了陶瓷热震原位观测装置，为陶瓷构件热震损伤的识别和预测提供了一种测量方法。

    

• 代表性成果

  • Y. F. Shao, et al, Ceram. Int., 2021, 47: 30974-30979

  • Y. F. Shao, et al, Ceram. Int., 2021, 47: 3643-3648

  • Y. F. Shao, et al, J. Am. Ceram. Soc., 2022, 105: 7649-7657

  • Y. F. Shao, et al, Carbon, 2022, 200: 281-295

  • Y. F. Shao, et al, Eng. Fract. Mech., 2022, 263: 108285

  • Y. F. Shao, et al, J. Eur. Ceram. Soc., 2023, 43: 2039-2044

   

080102-固体力学
083100-生物医学工程
0703J7-仿生界面交叉科学

细胞生物力学，仿生材料力学
仿生材料力学

2013-09--2018-01   中国科学院力学研究所   博士研究生
2010-09--2013-01   浙江工业大学   硕士研究生
2006-09--2010-06   黑龙江大学   学士

   

2021-12~现在, 中国科学院力学研究所, 副研究员
2018-04~2021-12,中国科学院力学研究所, 助理研究员

2022-09-05-2023-01-31,FMB期刊客座编辑,
2020-11-01-2021-05-31,Crystals期刊客座编辑, 客座编辑

   

（1） Intercellular Receptor-ligand Binding: Effect of Protein-membrane Interaction, Journal of Molecular Biology, 2023, 第 1 作者
（2） Measurement of ceramics cracking during water quenching by digital image correlation, Journal of the European Ceramic Society, 2023, 第 5 作者
（3） Axisymmetric thermal postbuckling of functionally graded graphene nanocomposite annular plates with various geometric imperfections, Thin-Walled Structures, 2023, 通讯作者
（4） Receptor-ligand binding: Effect of mechanical factors, International Journal of Molecular Sciences, 2023, 通讯作者
（5） Free vibration analysis of functionally graded graphene nanocomposite beams partially in contact with fluid, Composite Structures, 2022, 第 3 作者
（6） Uniformity prediction of bending stiffness of composite space mirrors with ply angle misalignments by deflection angle, Frontiers in Mechanical Engineering, 2022, 通讯作者
（7） Prefabricated crack propagation in translucent alumina ceramic sheets during flame thermal shock, Engineering Fracture Mechanics, 2022, 第 4 作者
（8） Cell senescence alters responses of porcine trabecular meshwork cells to shear stress, Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2022, 通讯作者
（9） Measuring Laplace pressure and imaging the actin cortex during cytokinesis in cultured cells, STAR Protocols, 2022, 通讯作者
（10） Insights into intercellular receptor-ligand binding kinetics in cell communication, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2022, 通讯作者
（11） Effect of material parameters on thermal shock crack of ceramics calculated by phase-field method, Journal of the American Ceramic Society, 2022, 第 5 作者
（12） Cuffless Blood Pressure Monitoring: Academic Insights and Perspectives Analysis, Micromachines, 2022, 通讯作者
（13） Interplay between cooperativity of intercellular receptor-ligand binding and coalescence of nanoscale lipid clusters in adhering membranes, Soft Matter, 2021, 第 1 作者
（14） Cis-interaction of ligands on a supported lipid bilayer afects their binding to cell adhesion receptors, Cis-interaction of ligands on a supported lipid bilayer afects their binding to cell adhesion receptors, Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2021, 第 1 作者
（15） Interplay of nanoparticle properties during endocytosis, Crystals, 2021, 通讯作者
（16） Two complementary signaling pathways depict eukaryotic chemotaxis: A mechanochemical coupling model, Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2021, 通讯作者
（17） Cracking in the translucent alumina ceramic during flame thermal shock, Ceramics International, 2021, 通讯作者
（18） Membrane-mediated interactions between protein inclusions, Frontiers in Molecular Biosciences, 2021, 第 3 作者
（19） Tuning cell adhesion on supported lipid bilayers via nanoscale geometry, Soft Matter, 2021, 第 1 作者
（20） Effects of the Laplace pressure on the cells during cytokinesis, iScience, 2021, 
（21） Influence of lipid rafts on pattern formation during T-cell adhesion, New Journal of Physics, 2021, 第 1 作者
（22） The effect of a prefabricated crack on the crack growth in ceramics during quenching, Ceramics International, 2021, 第 5 作者
（23） High energy density in poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) composite incorporated with modified halloysite nanotubular architecture, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2021, 通讯作者
（24） Interplay between receptor-ligand binding and lipid domain formation depends on the mobility of ligands in cell-substrate adhesion, Frontiers in Molecular Biosciences, 2021, 第 1 作者
（25） Biomechanical research into lamina cribrosa in glaucoma, National Science Review, 2020, 第 1 作者
（26） Intercellular receptor-ligand binding and thermal fluctuations facilitate receptor aggregation in adhering membranes, Nano Letters, 2020, 第 1 作者
（27） 青光眼发病机理——筛板变形研究进展, PATHOGENETIC MECHANISMS OF GLAUCOMA——RESEARCH PROCESS ON THE DEFORMATION OF LAMINA CRIBROSA, 力学学报, 2019, 第 2 作者
（28） Binding constant of membrane-anchored receptors and ligands that induce membrane curvatures, Soft Matter, 2019, 第 1 作者
（29） 细胞膜间的波动力, Undulation force between membranes, 力学进展, 2018, 第 1 作者
（30） Crack propagation speed in ceramic during quenching, Journal of the European Ceramic Society, 2018, 第 4 作者
（31） Entropic pressure between fluctuating membranes in multilayer systems, Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2018, 第 1 作者
（32） Binding constant of cell adhesion receptors and substrate-immobilized ligands depends on the distribution of ligands, Physical Review E, 2018, 第 1 作者
（33） Lipid rafts enhance the binding constant of membrane-anchored receptors and ligands, Soft Matter, 2017, 第 1 作者
（34） Study on the deformations of the lamina cribrosa during glaucoma, Acta Biomaterialia, 2017, 第 2 作者
（35） Observation of ceramic cracking during quenching, Journal of the American Ceramic Society, 2017, 第 5 作者
（36） Impact of lipid rafts on the T-cell-receptor and peptide-major-histocompatibility-complex interactions under different measurement conditions, Physical Review E, 2017, 第 1 作者
（37） Entropic force between biomembranes, Entropic force between biomembranes, Acta Mechanica Sinica, 2016, 第 1 作者
（38） Three-dimensional thermal weight function method for the interface crack problems in bimaterial structures under a transient thermal loading, Journal of Thermal Stresses, 2016, 第 2 作者
（39） 热机载荷作用下拐折裂纹问题的通用权函数法分析, 工程力学, 2015, 第 4 作者
（40） Calculation of stress intensity factors for functionally graded materials by using the weight functions derived by the virtual crack extension technique, International Journal of Mechanics and Materials in Design, 2014, 第 3 作者
（41） 热机载荷作用下三维界面裂纹问题的权函数法分析, 固体力学学报, 2013, 第 1 作者
（42） 界面裂纹问题中的通用权函数法, Universal weighted function method for determining the stress intensity factors of interfacial cracks, 应用力学学报, 2013, 第 1 作者

（1） 细胞膜特性及胞吞的研究（《细胞分子生物力学》第十章）, 上海交通大学出版社, 2017-12, 第 1 作者
（2） Laplace Pressure Controls Cell Blebbing to Regulate the Symmetry of Cell Division （《New Visions in Biological Science》Chapter, Vol. 10）, B P International, 2022-03, 第 2 作者

   

（ 1 ） 粘附蛋白的分布变化对受体-配体反应动力学的影响, 负责人, 国家任务, 2020-01--2022-12
（ 2 ） 中国科学院青年创新促进会人才项目, 负责人, 中国科学院计划, 2021-01--2024-12
（ 3 ） 粘附蛋白的分布变化对受体-配体反应动力学的影响, 负责人, 中国科学院计划, 2020-06--2021-05
（ 4 ） 细胞-细胞粘附过程中的波动力调控机制, 参与, 国家任务, 2020-01--2023-12
（ 5 ） 力学研究所优秀青年科研人才培养计划, 负责人, 研究所自主部署, 2023-05--2026-12
（ 6 ） 粘附蛋白结合与膜脂动态重排之间的相互影响研究, 负责人, 国家任务, 2023-01--2026-12
（ 7 ） 基于有限元的术后软组织受力变形效果模拟软件, 负责人, 境内委托项目, 2022-08--2023-02

（1）配体蛋白移动性对受体-配体键合与脂筏分布的影响   第十三届全国生物力学学术会议   李龙   2021-10-06
（2）配体蛋白间相互作用对细胞粘附的影响   第十六届全国物理力学学术会议   李龙   2021-08-14
（3）细胞粘附与细胞膜组分不均匀性的互联关系   第二届医学中新技术与新装备国际学术会议   李龙   2020-12-26
（4）细胞粘附过程中脂筏与受体-配体键和的交互作用   固体力学青年学术沙龙    李龙   2020-08-12

现指导学生

李振源  硕士研究生  085601-材料工程