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由香港大學（港大）機械工程系副教授林原博士帶領的研究團隊，與賓夕凡尼亞大學、弗吉尼亞大學和史丹福大學的研究人員合作，首次揭示了生物材料粘度對細胞行為和功能調控的物理機理，在細胞力學領域上取得重大突破，結果有助研發可讓培植人體組織和器官有效運作的生物物料。

研究成果已於在國際權威學術期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表。

「再生醫學」或「組織工程學」研究把活細胞培植成人體組織，例如皮膚、血管、關節或主要器官如心臟等，用作移植或修復之用。培植活細胞的其中關鍵，是為細胞提供適合其生長的周圍物質 — 胞外基質（ECM）。

胞外基質（ECM）主要由蛋白質組成，在人體中負責供應細胞養分和傳遞各種生理信號，結構上起著固定和支持細胞發揮生物功能的作用。

科學家研究合成胞外基質的生物物料，一直有個難題，就是物料在配合細胞進行一系列的生物功能，例如細胞分裂增殖、遷移等活動時，存在不穩定性，間接影響經培植的人體組織或器官未能有效發揮功能。科學家一直認爲，其中的一個關鍵因素是材料本身的物理特性，但具體如何影響，一直未有徹底的理解。

過往對胞外基質的生物物料研究，發現材料的粘度（viscosity）會影響細胞黏附（cell adhesion）以及延展（cell spreading）。理論上，細胞與胞外基質黏附得緊密、維持高延展度，其功能運作越暢順。但生物材料的粘度如何具體影響細胞黏附及延展，科學家所知甚少。

林原副教授和學生公澤博士與國際研究團隊合作，運用理論和實驗相結合的方法，發現在較軟的材料上，細胞的最佳延展會在中等粘度下實現（圖1）。另一方面，對於本身很堅硬的物料，額外的材料粘度並不會對細胞產生任何影響。研究結果有助了解材料粘性如何調控細胞黏附以及延展，為深入理解細胞如何在體內履行其生物職責邁出了重要一步；以及有助為生物物料設計提供更精准的材料參數，以實現最理想的細胞與物料互動，讓細胞在合成的胞外基質中有效運作。

團隊提出的理論模型，為未來新型生物物料的設計和再生醫學策略的制定，提供了最佳控制細胞功能的關鍵線索，是國際間首個在這細胞力學領域取得突破的研究團隊。

林原副教授領導的研究團隊是國際前沿的細胞力學研究小組之一，他們在研究中使用理論建模、大規模仿真以及尖端的微納米製造和表徵等實驗工具，在揭示細胞粘附、遷移和力學傳遞等重要生命過程背後的物理機制，以及探索它們在疾病檢測和組織工程中的應用開展了一系列的工作。今次林原副教授及賓夕凡尼亞大學研究團隊的合作，是繼2017年6月在《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表有關由纖維交聯分子斷裂所引起的胞外基質塑性變形對細胞黏附動力學的影響後另一個突破性發現。

詳細研究發現
研究小組開發出一個隨機模型來檢視細胞和粘彈性基質之間的黏附分子鍵之動態及它對細胞延展的影響。結果表明，在較軟的材料上，細胞的最佳延展會在中等粘度下實現（圖1）。在此情況下，材料的鬆弛時間將處於單個分子鍵的結合時間與整個細胞黏附斑的特徵壽命之間，即粘度可在分子鍵斷開之前提升胞外基質的有效硬度，從而促進細胞黏附和延展的發生。另一方面，對於本身很堅硬的胞外基質，由於其黏附分子鍵的形成已經被最大化，因此額外的材料粘度並不會對細胞產生任何影響（參見圖2）。研究團隊在三種不同的合成生物材料上驗證了這理論的有效性，模型解釋了每種基質上的材料粘度對細胞黏附和延展的不同影響。

有關胞外基質
近期的研究表明細胞的各種行為和功能都受到胞外基質的物理特性所影響。具體而言，研究人員發現細胞增殖、分化和遷移等重要的過程都強烈依賴於胞外基質的彈性模量。然而在現實中，除彈性外，幾乎所有自然存在或合成產生的生物材料都具一定的粘度。

林原博士研究團隊在《美國國家科學院院刊》刊登的文章：https://doi.org/10.1073/pnas.1716620115。

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