基于局部应变逾渗的生物学组织破裂预测：诊断新策略

本研究针对生物组织机械应力导致的破裂问题，提出了一种通过局部应变异质性（HYMHs）逾渗现象预测破裂位点的创新方法。团队结合实验（DIC、MRI）与有限元模型（FEM），验证了胶原纤维和马主动脉中应变逾渗簇与破裂位点的相关性，并成功预测马凡综合征患者的主动脉瘤发生。该成果为早期诊断和靶向治疗提供了新思路，发表于《Communications Medicine》。

　　

论文解读

生物组织如韧带、主动脉等因机械应力导致的破裂是许多致命疾病的根源，例如主动脉瘤破裂的死亡率极高。然而，传统影像技术难以在组织弹性变形阶段预测破裂位点，临床亟需早期诊断手段。在这一背景下，Friedrich Schütte、Stefan G. Mayr等研究者提出了一种颠覆性假说：组织破裂本质上是局部高屈服机械异质性（HYMHs）沿应力方向逾渗（percolation）的结果，且这一现象在弹性阶段即可被捕捉。

为验证这一理论，团队通过三项核心实验展开研究：首先，利用数字图像相关（DIC）技术分析大鼠尾胶原纤维和马主动脉外植体在单轴拉伸中的局部应变场；其次，基于共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）构建胶原网络有限元模型（FEM），揭示结构异质性与力学响应的关联；最后，应用磁共振成像（MRI）分析马凡综合征患者主动脉搏动视频，预测六年后的动脉瘤位点。

主要技术方法

1. 数字图像相关（DIC）：从拉伸实验图像序列中提取局部格林-拉格朗日应变张量（Green-Lagrange strain tensor）。
2. 有限元建模（FEM）：基于CLSM数据数字化胶原网络拓扑结构，模拟非线性和大变形力学响应。
3. 逾渗分析算法：通过二值化应变矩阵识别HYMHs簇，定义逾渗应变阈值（percolation strain, s）。

研究结果

1. 重构胶原纤维破裂：实验显示，胶原纤维在临界应变ε_c=45.33%时破裂，而逾渗簇（s=4.3%）早在弹性阶段（ε=40.6%）即准确定位破裂位点（图3）。
2. 结构起源解析：FEM模拟表明，HYMHs源于胶原网络密度局部降低，形成沿应力方向的连续纤维路径（图4d），导致应力集中和优先断裂。
3. 马主动脉验证：外植体实验中，逾渗分析在ε=10.45%时预测的破裂区（RZ）与真实破裂位点（ε_c=109%）高度吻合（图5）。
4. 临床诊断应用：对马凡综合征患者的MRI分析显示，2014年的应变逾渗簇精准预测了2020年主动脉瘤的发生位置（图6）。

结论与意义
该研究首次将逾渗理论引入生物组织破裂预测，证实HYMHs的逾渗行为是跨尺度破裂的普适性标志。其创新性在于：

1. 早期诊断：仅需0.5%弹性应变即可预测破裂，远早于传统形态学指标（如主动脉直径）。
2. 技术普适性：兼容临床影像（MRI、CT），为动脉瘤、肌腱损伤等疾病提供新筛查工具。
3. 理论突破：揭示了胶原网络密度异质性是力学弱点的结构基础，为仿生材料设计提供指导。

未来，团队计划拓展三维逾渗分析并开展大规模临床验证。这一成果发表于《Communications Medicine》，标志着生物力学与临床诊断的深度交叉，有望改写高风险患者的诊疗范式。