跨物种椎间盘结构-力学预测

尽管关于动物椎间盘（IVD）模型是否适用于研究人类椎间盘病理生理学长期存在不确定性，但很少有跨物种研究将层级结构与力学功能整合起来。在本研究中，我们提出了一个多尺度结构-力学框架，结合了同步辐射计算机断层扫描（sCT）、纤维追踪、数字体积相关（DVC）以及基于结构的力学推断和有限元建模。对大鼠、小型猪和人类椎间盘（n = 3/物种）进行了 sCT 成像，其中大鼠和小型猪椎间盘还额外接受了原位单轴压缩和 DVC。我们开发了一个结构指数（SI），整合局部结构各向异性和纤维取向，以在区域上精确定位力学脆弱区域的位置。跨物种比较显示了尺度依赖的结构保守性：整体椎间盘和板层组织保留了共同的区域特征，而纤维束架构则表现出更大的物种和区域差异。尽管存在这些差异，较低的 SI 在大鼠和小型猪椎间盘中始终与多种应变度量下的变形增加相关。结构-应变负相关在逐渐升高的应变域内变得更加紧密，对于若干应变分量，Spearman p 值达到约 -0.5 至 -0.7。合成纤维体模证实，SI 反映了纤维取向和组织的耦合，并且在组织不良的构型中对纤维数量具有额外敏感性。在具有不同程度退变的人类椎间盘中，SI 揭示了空间异质性和结构脆弱区域的重新分布。基于原纤维的均匀化为器官尺度有限元建模提供了各向异性材料属性，独立支持了基于 SI 的预测。总体而言，这些发现建立了一个跨物种框架，将层级胶原架构与力学脆弱性联系起来，并为人类椎间盘退变和力学风险的非侵入性、结构驱动的生物力学评估提供了基础。

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