纤维蛋白网络的多尺度力学建模：揭示血栓栓塞的损伤机制与断裂韧性

本研究通过结合离散粒子模拟（SRDDM）与连续介质力学模型，首次量化了纤维蛋白凝块在拉伸应力下的损伤演化规律，发现仅5%纤维断裂即可引发150 μm破裂区，并建立可预测任意变形状态下宏观行为的连续损伤模型。该工作将血栓断裂韧性预测值精确至2.5-7.7 J/m2，为缺血性卒中及肺栓塞的预防提供了新思路。

　　

血栓形成与栓塞是心脑血管疾病的主要诱因，其中纤维蛋白（fibrin）网络作为血栓的力学支架，其断裂行为直接决定栓塞风险。尽管临床已知血栓脱落会导致缺血性卒中或肺栓塞，但纤维网络在复杂应力下的损伤机制仍不明确，传统连续介质模型难以捕捉微观断裂过程，而纯离散模拟又无法覆盖生理尺度的力学响应。这一认知缺口使得血栓栓塞的预测和干预缺乏精准力学依据。

美国国立卫生研究院（NIH）资助团队在《Acta Biomaterialia》发表的研究中，创新性地将结构-真实离散动力学模型（Structured Realistic Discrete Dynamics Model, SRDDM）与宏观连续介质力学耦合，首次实现了从微观纤维断裂到宏观血栓破裂的全尺度解析。关键技术包括：（1）基于人血浆制备两种纤维蛋白凝块样本；（2）SRDDM构建三维分支纤维网络模型，节点连接参数源自实验数据；（3）开发可量化损伤演化的连续介质本构方程；（4）通过in silico拉伸实验模拟不同应变率下的网络破坏过程。

【3. RESULTS】部分揭示：在中等应变（<50%）时网络保持完整，而超过临界值后仅5%纤维与分支点断裂即引发150 μm破裂区（图3A,B）。SRDDM模拟显示纤维直径与长度分布（图S2B,C）显著影响损伤累积路径。建立的连续模型将损伤参数与断键数直接关联，突破传统唯象损伤定律局限，预测生理体积分数下纤维蛋白网络的断裂韧性为2.5-7.7 J/m²，与实验值高度吻合。

【4. DISCUSSION】指出该多尺度框架的创新性在于：首次通过SRDDM揭示纤维网络损伤的"少而关键"断裂特性（仅5%结构破坏导致功能失效），建立的连续模型可外推至离散模拟无法触及的时空尺度。研究证实均匀拉伸下纤维网络体积缩减达90%，这一剧烈压缩效应被精准纳入韧性计算模型。

这项研究为血栓栓塞机制提供了定量力学解释，建立的预测模型可指导抗凝治疗策略优化。方法论突破更适用于胶原、细胞骨架等纤维生物材料的力学研究。作者Evgenii Kliuchnikov等强调，未来工作将聚焦于血流剪切力与纤维网络损伤的耦合效应，为动态血管环境中的血栓稳定性预测开辟新途径。