骨骼肌多尺度建模新方法：基于周期性代表体积单元(RVE)的各向异性异质微结构构建及应用

本文推荐：作者团队创新性地提出了一种周期性代表体积单元(RVE)生成方法，通过整合小鼠骨骼肌光学显微镜图像与单纤维实验数据，构建了包含纤维类型分布、几何/力学特征的异质微结构模型。该模型通过定义过渡层实现纤维与细胞外基质(ECM)的力学性能梯度过渡，解决了传统模型中界面应力集中的数值问题，为神经肌肉疾病(如杜氏肌营养不良)的多尺度研究提供了新工具。

　　

亮点

本研究开发了一种创新的周期性代表体积单元(RVE)生成算法，专门用于骨骼肌的多尺度建模。通过整合小鼠骨骼肌横截面显微镜图像和单纤维力学实验数据，该模型首次同时纳入慢/快肌纤维的统计学分布、几何特征和力学参数，并创新性地通过过渡层实现纤维与细胞外基质(ECM)的平滑力学性能过渡。

RVE构建方法

在有限元软件ABAQUS?中采用两级算法：首先基于Matlab对显微镜图像进行手动分割获得2D几何，再通过Python脚本生成3D模型。模型关键特征包括：空间周期性、圆角边缘设计（减少数值误差）、以及通过Voronoi镶嵌技术模拟肌纤维与ECM之间的过渡层（代表costameres和跨膜蛋白）。

在小鼠比目鱼肌的应用

将该流程应用于小鼠比目鱼肌的单轴拉伸模拟，成功复现了肌肉被动力学行为。通过整合本团队已有的组织学和力学数据，模型能预测ECM的力学特性，为病理状态下的力学变化研究奠定基础。

讨论

该算法首次实现了不同肌纤维类型的整合建模，但存在局限性：假设微观尺度纤维平行排列，无法完全反映骨骼肌各向异性。未来需进一步整合纤维走向的复杂分布特征。

结论

这项研究提出的3D周期性RVE生成算法，为骨骼肌健康与疾病状态的微观力学研究提供了创新工具。其设计理念也可拓展至其他长纤维增强材料（如纤维增强复合材料）的多尺度分析。

（注：翻译严格遵循了专业术语标注、保留原文技术细节，并采用生动表述如"圆角边缘设计"、"平滑力学性能过渡"等，同时去除了文献引用标记和图表标识）