基于纳米结构重建的胶原水凝胶力学行为虚拟预测方法：多尺度建模与实验验证

本研究通过结合FIB-SEM纳米级成像与多尺度in silico 模型，首次实现了仅以胶原水凝胶纳米结构为输入参数，精准预测其非线性力学行为。研究人员重构了0.8 mg/mL牛源I型胶原水凝胶的真实纤维网络，通过虚拟剪切试验成功复现流变实验结果，揭示了纤维弯曲能量在变形全程的主导作用，为生物材料力学性能的纳米结构依赖性研究提供了新范式。

　　

胶原蛋白作为哺乳动物体内最丰富的纤维蛋白，构成了细胞外基质（ECM）的核心支架，其三维纳米结构直接决定了组织的力学特性和生理功能。然而，从心血管疾病到骨关节炎，胶原纤维网络的异常重构与多种病理过程密切相关。传统研究面临两大瓶颈：一是实验手段难以精确量化纳米级纤维拓扑特征与宏观力学性能的关联；二是现有计算模型多采用简化随机网络，无法反映真实纤维的曲折度、异质连接等关键特征。

针对这一挑战，来自西班牙塞维利亚大学等机构的研究团队在《Materials Today Bio》发表创新成果。研究团队选取0.8 mg/mL牛真皮I型胶原水凝胶为模型体系，通过聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）实现11.8 nm³
分辨率的三维重构，结合多尺度力学模型，首次建立了从真实纳米结构预测宏观力学行为的全链条方法。该工作不仅揭示了弯曲能量在0-30%剪切应变范围内的主导作用，更开发出可量化单纤维应力分布的创新算法，为生物材料设计和病理机制研究提供了新工具。

关键技术方法包括：1）FIB-SEM纳米级三维成像结合Avizo软件骨架化处理，从4.7×4.7×5.1 μm³
体积中提取2100余条纤维的几何参数；2）小振幅振荡剪切（SAOS）流变测试量化水凝胶非线性力学响应；3）基于Euler-Bernoulli梁单元的多尺度模型，以轴向刚度k_a
=1.7×10³
Pa·μm²
和弯曲刚度k_b
=5.3×10^-3
Pa·μm⁴
为参数进行虚拟剪切仿真。

研究结果部分：
3.1节通过流变测试证实水凝胶呈现典型非线性力学行为，0-15%应变区为线性响应，后续出现因纤维重排导致的应变硬化，与文献报道的胶原网络特性一致。

3.2节显示三个不同区域（VOI）的虚拟剪切曲线与实验数据高度吻合（R²

0.95），验证了纳米结构重建的可靠性。特别值得注意的是，模型成功捕捉到10%应变附近的力学响应转折点，该现象对应显微镜下观察到的纤维解卷曲过程。

3.3节的能量分析揭示弯曲能量占比始终超过65%，即使在30%应变时仍保持主导地位。这与随机网络模型的预测存在本质差异——真实纤维的预弯曲结构显著增强了网络的抗变形能力。轴向能量在15%应变后快速增长，反映部分纤维完全伸展后的张力贡献。

3.4节首次实现单纤维应力分布可视化：伸直纤维承受10⁴
Pa量级的轴向拉应力，而屈曲纤维呈现压缩状态；最大弯曲应力出现在纤维曲率突变处，其值可达轴向应力的3倍，这种应力集中可能预示微观损伤起始位点。

结论与讨论指出，该方法突破了传统本构模型依赖宏观参数拟合的局限，首次实现从真实纳米结构直接预测力学行为。在生物医学领域，该技术可用于：1）优化组织工程支架的纤维拓扑设计；2）量化病理状态下（如主动脉瘤中弹性纤维降解）的力学性能衰减；3）指导药物对胶原重塑的干预效果评估。研究同时发现，纤维初始弯曲度对网络刚度的影响远超经典理论预期，这为发展新一代生物力学模型提供了关键实验依据。未来工作将扩展至更高浓度水凝胶和拉伸/压缩载荷工况，并探索纤维-细胞力学偶联机制。