基于三维双相有限元的软骨异质性化学-力学-生物学退变预测模型研究

本研究针对骨关节炎(OA)中软骨退变的复杂机制，开发了首个整合双相力学、生化信号通路和深度依赖性代谢活性的三维有限元(3-D biphasic FE)框架。通过模拟24个月的病理负荷条件，揭示了机械过载通过MMPs/ADAMTSs-TIMP失衡导致ECM异质性降解的规律，特别是浅层区(SZ)在氧浓度梯度下的显著退变特征。该模型为OA机制解析和个体化治疗策略开发提供了创新工具，相关插件已开源至FEBio平台。

　　

关节软骨作为人体运动系统的重要缓冲结构，其退行性病变是导致骨关节炎(OA)的核心病理过程。OA影响着全球数亿人群，却仍缺乏根治手段。这种困境源于软骨退变涉及复杂的多尺度机制：从宏观力学负荷到微观的细胞代谢，从胶原/蛋白聚糖的生化降解到三维空间异质性改变。传统研究往往孤立考察力学或生化因素，而Muhammed Masudur Rahman团队首次在《Computer Methods and Programs in Biomedicine》发表的研究，通过创新性整合双相力学模型与化学-生物耦合系统，为这一难题提供了突破性解决方案。

研究团队开发的三维双相有限元框架具有三大创新：1)耦合非线性大应变力学与IL-1β/TNF-α/MMPs等信号通路；2)引入深度依赖性氧梯度(浅层10% vs深层1%)调控软骨细胞代谢；3)实现24个月跨度的ECM成分时空演化预测。关键技术包括：基于FEBio平台的CMB插件开发、图像驱动的本构模型、循环压缩边界条件设定，以及通过^{in vivo}应变数据验证的校准方法。

【Results】部分揭示：在生理负荷下，软骨通过流体压力维持ECM稳态；而过载会引发MMP-13/ADAMTS-5主导的降解级联反应。特别值得注意的是，氧浓度梯度导致浅层区(SZ)降解速率比深层快3倍，这与临床OA病理特征高度吻合。TIMP-1/2虽能延缓但无法逆转该过程，证实了OA治疗需多靶点干预的必要性。

这项研究的里程碑意义在于：首次实现机械负荷-氧梯度-酶解网络的三维动态耦合模拟，为OA机制研究提供了"数字孪生"平台。开源的FEVGnR-Plugin工具更推动了个体化医疗发展，例如结合MRI构建患者特异性模型预测手术效果。该成果不仅深化了对OA时空异质性的认识，更为靶向药物开发和力学干预策略优化提供了全新研究范式。