轴突与基质的本构建模：基于有限元与神经网络方法揭示脑白质损伤机制

本研究针对弥漫性轴突损伤(DAI)机制不清的问题，通过有限元分析(FE)、神经网络(NN)和优化方法，首次建立了包含超粘弹性特性的轴突-基质本构模型。研究人员利用离体轴突拉伸实验数据和脑组织剪切实验数据，量化了人类脑白质(WM)中轴突刚度是基质的10-13倍的关键参数，为细胞水平损伤阈值评估提供了精准力学模型。该成果发表于《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》，对创伤性脑损伤(TBI)机制研究和脑组织工程支架开发具有重要价值。

　　

在神经创伤领域，弥漫性轴突损伤(DAI)作为创伤性脑损伤(TBI)的主要类型，每年导致数百万人出现长期神经功能障碍。尽管临床意义重大，其损伤机制仍存在两大关键问题：一是脑白质(WM)中轴突与周围基质的力学相互作用不明确，二是现有计算模型多基于小变形假设，无法反映实际损伤过程中的大变形(>50%)和高应变率(30/s)特性。更棘手的是，基质力学特性因缺乏独立实验数据而长期依赖假设，不同研究报道的轴突/基质刚度比差异达6-13倍，严重影响损伤预测准确性。

针对这些挑战，瑞典皇家理工学院的研究团队创新性地结合多尺度实验数据与计算建模方法。研究首先利用Dubey等人发表的鸡胚背根神经节轴突阶梯拉伸实验数据，通过"朴素平均法"(na?ve average approach)建立单轴突超粘弹性模型；继而基于Jin等提供的人脑WM剪切实验数据(包含冠状辐射束CR和胼胝体CC区域)，开发了包含周期性边界条件(PBC)的代表性体积单元(RVE)有限元模型。通过独创的"NN-Opt"混合方法——即用400组有限元仿真训练神经网络，再结合非支配排序遗传算法(NSGA-II)逆向识别参数，最终建立了同时考虑超弹性(Ogden模型)和粘弹性(广义Maxwell模型)的脑组织本构模型。

关键技术方法包括：1) 采用LS-Dyna软件构建2.48×2.48×2.5μm³
的RVE模型，包含单根直径0.83μm的轴突；2) 通过拉丁超立方抽样(LHS)生成400组基质参数组合；3) 构建含64-32神经元架构的神经网络，预测54个应力-应变输出参数；4) 基于Pymoo包实施多目标优化，约束条件包括G^matrix
<>^axon
等力学相容条件。

研究结果部分显示：
3.1 轴突纤维材料特性
拟合单轴拉伸数据获得Ogden模型参数μ₁
=-1.999kPa、α₁
=-9.37(R²
=0.98)，四阶Maxwell模型参数g_1-4
分别为6.917/6.700/6.704/9.767kPa，对应松弛时间0.001-1s。模拟曲线与Jagannathan Rajagopalan等多家实验数据吻合，验证了模型的普适性。

3.2 基质材料特性
CR区域基质μ₁
=-1.421kPa、α₁
=-1.16，CC区域μ₁
=-3.046kPa、α₁
=-0.58。关键发现是轴突剪切模量分别为基质的11.3倍(CR)和10.6倍(CC)，与Ning等的大变形研究一致，但远高于Arbogast小变形研究的3倍估值。有限元验证显示预测应力与实验数据平均绝对误差仅62.7Pa(CR)和97.8Pa(CC)。

讨论部分强调，该研究首次实现三个突破：1) 同步表征超弹性与粘弹性行为，克服了Pan等纯超弹性模型的局限；2) 通过离体轴突数据独立标定参数，避免了Montanino等联合优化引入的系统误差；3) 建立的RVE模型可准确反映剪切模式下基质主导(占载荷78%)、拉伸模式下轴突主导(占载荷92%)的力学分配规律。这些发现不仅为DAI的膜机械穿孔(membrane mechanoporation)理论提供了量化依据，更通过开源Pymoo算法实现了高效参数反演，为个性化脑模型开发奠定基础。

该研究的临床意义体现在两方面：首先，明确的10-13倍刚度比为脑组织工程水凝胶设计提供了黄金标准；其次，建立的NN-Opt框架将单次参数优化时间从72小时缩短至15分钟，极大提升了计算效率。正如作者指出，未来结合磁共振弹性成像(MRE)数据，该模型有望实现从"典型脑"到"个体化脑"的跨越，为精准医疗时代的神经创伤防治提供新范式。