《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：From human joints to bioreactor setups: Quantifying mechanical stimuli in cartilage physiology and regeneration
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生物反应器被广泛用于对骨软骨（OC）外植体和软骨组织工程（TE）构建物施加力学刺激，但其复制天然关节力学的能力尚未得到充分量化。本研究采用有限元（FE）建模方法，将常见的生物反应器加载方案与步行周期中的人体膝关节进行基准比较，从而实现与生理相关力学参数的直接对
生物反应器被广泛用于对骨软骨（OC）外植体和软骨组织工程（TE）构建物施加力学刺激，但其复制天然关节力学的能力尚未得到充分量化。本研究采用有限元（FE）建模方法，将常见的生物反应器加载方案与步行周期中的人体膝关节进行基准比较，从而实现与生理相关力学参数的直接对比。研究人员使用一个经过验证的人体膝关节有限元模型，模拟步行周期的站立阶段，以表征关键力学变量：最大主应力、最大剪切应变、孔隙压力和流体速度。这些输出结果与代表性生物反应器装置的有限元分析进行了比较：动态无限制压缩（UC）（10%–30%）以及结合压缩（10%）与球旋转（±25°），应用于OC塞和TE构建物；以及静水压力（0.5–50 MPa），仅应用于TE构建物。在OC塞中，10% UC产生的最大主应力（约7.5 MPa）和孔隙压力（约4 MPa）与天然组织（分别约4.5 MPa和约5 MPa）高度匹配。在TE构建物中，即使在30% UC下，最大主应力和孔隙压力仍比生理值低约100倍，而流体速度则高10倍。对TE构建物施加5 MPa的静水压力与天然孔隙压力（约5 MPa）匹配，但引起的应变可忽略不计。本研究建立了一个定量框架，用于评估生物反应器加载方案复制生理关节力学的程度。虽然限于单一受试者的数据集，但该框架提供了一种稳健的计算机基准测试方法，并确定了用于评估生物反应器装置针对特定力学变量的比较指标。这项工作为体外软骨研究的更标准化设计奠定了基础，支持软骨修复和组织工程中的定向转化策略。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
机械加载在维持关节软骨稳态中起关键作用。非生理性机械加载，包括关节固定导致的低生理加载和创伤性关节损伤引起的高生理加载，与软骨退行性变化密切相关。关节软骨是一种双相组织，由以蛋白聚糖和胶原纤维为主的固相和液相组成。在健康软骨中，大部分承载通过孔隙流体增压实现。此外，胶原纤维在软骨厚度方向呈拱形排列，尤其承重关节（如髋和膝），赋予软骨各向异性行为，使其能够抵抗表面剪切力。在软骨组织工程（TE）中，生物反应器用于在受控力学条件下培养组织工程构建物，并提供离体平台以研究机械加载对疾病进展（如骨关节炎（OA））及潜在治疗干预的影响。文献中常用的软骨（病理）生理学和再生相关生物反应器可大致分为动态压缩、动态压缩与剪切结合以及静水压力三类。动态压缩生物反应器旨在复制膝关节软骨所承受的压应变；结合压缩与剪切的生物反应器旨在重现关节中的复杂多轴加载环境；静水压力生物反应器旨在模拟关节软骨内的孔隙流体增压，其在承载中起关键作用。尽管这些生物反应器被广泛使用，但相应加载方案存在较大差异，导致研究结果不一致。现有综述虽比较了不同生物反应器及其细胞响应结果，但缺乏定量比较不同装置中力学差异及其与体内生理场景接近程度的系统性研究。由于传统实验技术难以捕捉样本内复杂的力学环境，计算机模型（特别是有限元（FE）分析）已被用于量化生物反应器及人体关节中的力学环境。然而，大多数研究仅关注单一类型生物反应器，难以进行跨类型比较，且未将生物反应器旨在复现的体内场景作为定量比较基准。因此，本研究旨在通过将常见生物反应器装置与生理性人体膝关节模型进行FE分析比较，填补这一空白，为实验人员根据研究问题选择加载方案提供参考。
**研究内容与结论**
研究人员首先基于文献中获得的几何和材料属性，开发了模拟步行周期站立阶段的人体膝关节FE模型。其次，开发了分别对骨软骨移植物和TE构建物施加机械加载的生物反应器FE模型。最后，对每种生物反应器类型的最优加载案例与人体膝关节进行对比分析。研究结论表明：10%动态无限制压缩的OC塞在最大主应力和孔隙压力方面与天然软骨接近，但流体速度分布不同；TE构建物在高达30%压缩下应力仍比生理值低约100倍；5 MPa静水压力可匹配天然孔隙压力，但应变极低；结合压缩与球旋转在TE构建物中产生剪切应变约为膝关节的两倍。研究建立了定量基准框架，尽管受限于单受试者数据集，但为组织工程社区提供了评估现有方案和设计更生理相关加载策略的模板。该论文发表在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》。
**关键技术与方法**
本研究采用有限元（FE）分析方法，使用Abaqus 2023软件。人体膝关节模型基于Open Knee数据库（70岁女性，77.1 kg，1.68 m）的胫股关节几何构建，软骨建模为双相纤维增强孔黏弹性（FRPVE）材料，考虑深度依赖的拱形胶原纤维取向和裂隙线模式。边界条件基于Mononen等人（2015）的步行周期数据，包括时间依赖性轴向力、前后平移、内外旋转和屈伸旋转。骨软骨（OC）塞模型（直径8 mm）包含软骨、钙化软骨和软骨下骨，TE构建物模型（直径8 mm，2 mm厚）采用琼脂糖水凝胶，通过超泡沫公式模拟非线性可压缩多孔弹性行为。生物反应器模拟包括动态无限制压缩（10%-30%应变）、结合压缩与球旋转（±25°旋转）以及静水压力（0.5-50 MPa）。通过比较最大主应力、最大剪切应变、孔隙压力和流体速度四个力学变量，评估各装置与体内膝关节的匹配程度。
**研究结果**
**3.1 人体膝关节FE分析**
结果显示，在步行周期站立阶段第一峰值加载（20%阶段）时，内外侧室接触压力平衡；第二峰值加载（81.7%阶段）时，外侧室接触压力更高，表明荷载向侧室转移，与文献观察一致。最大主应力、孔隙压力、流体速度和最大剪切应变呈现相似趋势。在股骨-胫骨软骨接触区域，最大主应力在浅层区（SZ）和中层区（MZ）最高，最大剪切应变在接触点软骨表面达到峰值。
**3.2 钙化软骨和软骨下骨在OC塞无限制压缩中的作用**
去除钙化软骨（noCC案例）导致所有压缩幅度下最大主应力从软骨向软骨下皮质骨转移增加，且孔隙压力和流体速度在软骨-钙化软骨交界处附近升高。仅软骨塞案例中，剪切应变分布更均匀。总体而言，noCC案例的孔隙压力比完整OC塞高约30%。
**3.3 陶瓷球动态压缩与滑动旋转的力学影响**
动态压缩下，最大主应力在接触区域中心最高，主要集中在软骨SZ-MZ界面；孔隙压力在接触中心下方最高；流体速度在球与软骨（或TE构建物）接触边缘达到峰值。球旋转对软骨力学影响可忽略，但在TE构建物中引起各变量非对称分布，在旋转前进方向幅度更高，这归因于陶瓷球与琼脂糖TE构建物间较高的摩擦系数（0.1）。
**3.4 各生物反应器类型最接近生理案例的比较分析**
- **OC塞10%动态无限制压缩**：最大主应力幅度和分布与内侧膝关节软骨相似，应力集中在SZ-MZ界面；最大剪切应变从表面向深层递减；孔隙压力分布相似但幅度略低；流体速度在OC塞弯曲自由排水表面最高。
- **TE构建物30%动态无限制压缩**：应力比膝关节软骨低约2个数量级，最大剪切应变约为内侧软骨的2倍，流体速度高10倍，孔隙压力低100倍。
- **OC塞结合压缩与球旋转**：所有力学变量幅度均高于膝关节软骨；最大主应力和孔隙压力集中在球-软骨接触中心下方；流体速度在接触边缘和浅层达到峰值。
- **TE构建物结合压缩与球旋转**：表面最大剪切应变约为膝关节软骨的2倍；应力和应变梯度沿厚度分布，与软骨类似；孔隙压力和流体速度趋势与无限制压缩TE构建物相似。
- **TE构建物动态静水压力（5 MPa）**：产生接近均匀的孔隙压力，与膝关节软骨接触区域幅度相当，但其他力学变量明显低于天然软骨。
**讨论与结论**
本研究建立了计算机框架，将生物反应器加载条件与体内关节力学进行基准比较。结果表明，没有单一生物反应器能同时复制所有力学变量的幅度和空间分布，但为根据特定研究目标选择生物反应器提供了指导。例如，OC塞的10%无限制压缩在应力和孔隙压力方面匹配天然软骨，但流体速度模式存在差异；TE构建物需通过水凝胶增强或部分约束来提升承载能力。研究还揭示了钙化软骨在应力传递中的关键作用，以及琼脂糖TE构建物因低刚度和均匀各向同性导致的力学差异。尽管受限于单受试者数据集，该方法为组织工程社区提供了评估当前方案和设计更生理相关加载策略的比较模板。**研究结论部分**：总之，本研究建立了一个计算机框架，用于将生物反应器加载条件与体内关节力学进行基准比较。虽然仅限于单一受试者的数据集，但该方法为组织工程社区提供了一个比较模板，用以评估当前方案并设计更生理相关的力学刺激策略。
