利用人工智能增强关节在运动过程中的生物力学分析，以及仿生植入物的3D打印技术

《Microchemical Journal》：AI-enhanced biomechanical analysis of joints during motion and 3D printing of bionic implants

机械信号跨尺度传输与细胞微环境仿生匹配的梯度多材料3D打印技术，通过整合步态驱动的多尺度有限元建模与原子力显微镜及YAP/TAZ分子通路分析，逆向求解细胞机械稳态窗口参数，构建弹性模量指数与生物因子分布耦合的梯度结构。采用DLP与喷墨打印协同工艺实现PEGDA/β-TCP复合材料微尺度梯度成型，通过水平集法优化界面拓扑，使应力集中系数降低至1.23以下，梯度平滑度达4.59×103μm。实验验证了该方法在生物相容性植入物制造中的有效性。

　　

作者：张思丹 | 沈少杰 | 张晨

韩国京畿道龙仁市丹丘大学研究生院，邮编16890

摘要

为了解决由于机械信号跨尺度传输与关节运动过程中细胞微环境模拟不足导致的植入物整合不良问题，本文提出了一种基于多尺度生物力学建模的梯度多材料3D打印方法。在具体实现中，使用由步态数据驱动的多尺度有限元模型来分析从组织到细胞层面的机械传输规律，并通过结合原子力显微镜和分子途径分析反向提取维持细胞稳态的机械窗口。在此基础上，构建了一种仿生设计，将弹性模量指数梯度与生物因子分布相结合。通过DLP和喷墨打印的融合工艺，控制曝光时间和陶瓷浓度以实现PEGDA/β-TCP复合材料的梯度成型。本文利用水平集方法优化界面拓扑结构，生成能够抵抗应力集中的互穿网络，并通过共聚焦成像验证几何精度，从而实现结构和功能一体化的仿生关节植入物的精确制造。实验表明，所提出的方法在两种加载条件下均达到了至少4.59×10^3 μm的平均梯度平滑度以及不超过1.23的平均应力集中系数，有效缓解了界面处的机械不匹配问题。

此外，该方法在各种生理相关界面状态下展示了最高的顺应性匹配覆盖率（平均88.5%–93.7%），并且在细胞微环境机械参数重建的准确性方面表现优异。误差范围极小（平均范围为3.8 kPa–5.1 kPa），有效模拟了细胞微环境。这项工作为解决植入物与宿主组织之间的功能整合问题提供了新的、可编程且可验证的方法。

引言

关节作为人体肌肉骨骼系统的核心节点，其功能依赖于软骨和骨组织之间的多尺度结构连续性和机械协同作用[1]、[2]。在动态承重活动（如行走、跑步或跳跃）过程中，机械信号通过细胞外基质逐步传递，严格调控细胞行为和组织稳态，从而形成拓扑和功能上的机械生物学特性[3]、[4]。这种宏观运动与微观响应的多尺度耦合机制不仅表征了关节的耐用性和适应性，也为再生医学提供了灵感[5]、[6]。重建受损关节的功能需要模仿其天然的机械梯度和生物活性分布模式[7]、[8]。因此，在分子、细胞和组织层面研究关节运动生物力学相互作用，并将这些发现应用于植入物的仿生设计，已成为推动功能性骨科修复材料发展的前沿科学课题，具有理论和临床转化的巨大潜力。

目前的仿生关节植入物在长期功能适配性方面仍面临重大挑战，这主要是由于对关节内部各种机械梯度与细胞微环境之间动态相互作用的认识不足[9]、[10]。大多数设计仍然停留在静态结构模仿阶段，未能模拟负载下步态周期的非线性应力传递路径及其对细胞行为的时空调制[11]、[12]。组织-材料界面可能存在刚度突变，导致应力集中偏离生理分布，从而可能影响长期稳定性[13]、[14]。更重要的是，细胞所处的机械刺激窗口——即它们为维持表型稳定性和合成活性所需暴露的模量范围、动态应变幅度和基质配体密度——尚未通过实际运动数据得到定量定义[15]、[16]。细胞通过整合素-FAK和YAP/TAZ等基本机械转导途径将细胞外刺激转化为生化响应，具有高度非线性的响应特性。目前可用的方法尚无法将分子层面的机械转导路径响应特性映射回宏观材料属性的设计参数，因此无法完全匹配生物因子的空间分布与基质变化的刚度[17]、[18]。此外，单体材料和简单的多层结构无法支持软骨-骨界面的渐进式结构演变，可能导致再生组织在界面处出现分层或矿化障碍[19]、[20]。这些限制使得植入物难以从被动支撑向主动促进组织再生的方向发展。因此，迫切需要一种将运动生物力学分析与材料功能编程相结合的新概念。

本研究旨在建立从关节运动生物力学分析到仿生植入物精确制造的完整技术链。主要目标是纠正组织和细胞层面的机械信号传输缺陷，进而实现植入物内部结构和生物活性的协调编程。与工程简化方法不同，本研究首次将真实世界的步态数据纳入多尺度有限元模型中，逐层研究应力在软骨、钙化层和软骨下骨中的传递过程。这种策略可以与原子力显微镜和机械转导级联（如YAP和TAZ介导的级联）的研究相结合，揭示维持细胞稳态的关键机械阈值。据此开发了一种仿生设计方案，该方案具有指数增长的弹性模量以及BMP-2（骨形态发生蛋白2）和TGF-β（转化生长因子-β）的耦合梯度分布。制备过程采用了DLP和喷墨打印技术，通过控制曝光时间和β-TCP颗粒浓度实现了PEGDA/β-TCP复合材料的连续梯度成型。DLP投影图案和喷墨点矩阵通过统一的G代码调度实现空间和时间同步，喷嘴运动轨迹与UV曝光帧严格同步，确保β-TCP液滴在树脂达到凝胶化临界点之前准确沉积，避免相分离或位置偏移。水平集方法也被用于优化界面拓扑结构，获得具有抗应力集中能力的互穿网络结构，从而提高机械连续性和生物相容性。最终，共聚焦分析验证了几何精度以及仿生关节植入物的成分分布和结构、功能及拓扑梯度。这项工作不仅开辟了新的跨尺度设计范式，还为未来个性化运动替代物的设计提供了理论和技术指导。

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讨论

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结论

本研究从生物力学关节运动分析出发，开发了一条从设计到仿生植入物制造的闭环路线。通过整合步态驱动的多尺度有限元建模和细胞机械转导响应的反馈，逆向工程化了软骨-骨界面关键参数的跨层次机械信号传输机制，并在此基础上制定了梯度多材料3D打印策略。

作者贡献声明

张思丹：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。 沈少杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。 张晨：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

张思丹出生于1999年，中国河北省石家庄市。她在中国丹丘大学获得了体育训练学士学位，目前在同一机构攻读体育人文社会学的硕士和博士学位。她的研究重点是体育管理和体育训练教学法。电子邮件：[e-mail]。