本研究由Sabrina Schoenborn、Mingyang Yuan、Cody A Fell等多位作者合作完成，主要作者来自澳大利亚昆士兰大学（University of Queensland）仿生系统工程实验室、昆士兰科技大学（Queensland University of Technology）生物医学技术中心，以及香港中文大学（The Chinese University of Hong Kong）等多家研究机构。论文发表于生物制造领域期刊《Biofabrication》2025年第17卷，文章编号035006，于2025年4月28日正式出版，采用开放获取模式。
研究属于生物制造、计算生物力学与力学生物学（mechanobiology）的交叉领域。该研究的核心动力源于大型力学激活培养系统（Big Mechanically-Active Culture Systems，BigMACs）在组织工程与再生医学中日益重要的应用前景，但目前仍缺乏从细胞尺度定量理解分布式力学载荷如何影响单细胞行为的有效方法。传统有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）主要基于连续介质力学，侧重于组织尺度应力分布，无法捕捉微尺度结构对局部力学环境的影响，也难以与单细胞定量组织学数据建立空间相关性。因此，本研究旨在构建一种组织尺度有限元分析框架，将亚细胞分辨率的定量组织学与厘米级生物力学仿真相结合，以推导力学生物学设计关系，用于指导细胞行为调控和组织图案化构建。
研究的工作流程围绕一个先前报道的软体机器人生物反应器展开，该装置可模拟人股腘动脉（femoropopliteal artery）在站立、行走和蹲姿下所承受的多轴力学刺激，包括径向扩张（radial distension）和角向屈曲（angular flexion）。在实验设计中，间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells，MSCs）培养于软体机器人培养凹槽中，比较了四种力学条件：静态对照、纯角向屈曲、纯径向扩张以及径向-角向联合加载。培养结束后，采用共聚焦显微镜对培养区域进行大规模拼接成像，并对细胞核（DAPI）、细胞骨架肌动蛋白（actin）、α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）以及IV型胶原（collagen type IV）进行荧光染色和图像定量分析。
在仿真方面，研究者使用Ansys软件构建了软体机器人的超弹性材料模型，采用三阶Ogden超弹性本构关系描述Platsil OO-20硅胶的力学行为。由于软体机器人在大变形条件下的非线性特征，模型设置为三维、二次单元且不可压缩。网格敏感性分析显示，来自3D打印的微沟槽（microgrooves）显著影响局部应力分布，若要解析微尺度应力梯度，最大单元尺寸需降至10微米，节点密度达到每平方毫米50 620个，这对于平均细胞尺寸为50微米的MSC而言，意味着每个细胞周围平均对应数百个仿真节点应力值，从而可提供足够的单细胞尺度力学信息。仿真计算输出三维von Mises应力、正应力、剪应力以及基于Mohr圆的二维应力主方向角。
数据分析的阶段分为三个主要步骤。首先，从共聚焦图像中检测每个染色目标的空间位置、荧光强度和方向角，使用ImageJ进行颗粒分析和方向性测量；随后，在Python环境中将每个染色的局部密度（以每个染色的50微米半径邻域内计算）与局部三维von Mises应力及二维Mohr应力角度进行空间匹配；最后，利用三阶多项式回归拟合染色密度或细胞取向与局部力学变量之间的关系，并计算95%置信区间。需要指出的是，研究仅对每种力学条件各使用了一个生物重复和一个图像重复，回归的统计重复数被视为图像中检测到的每个染色个体，这在讨论部分被作者明确列为局限性之一。
研究结果显示，BigMACs内力学应力分布高度不均。径向扩张条件下，培养区域中心出现最大约14 kPa的三维von Mises应力，应力方向呈对称分布；角向屈曲条件下，最大应力可达40 kPa，集中于弯曲外弧侧，并因气动腔结构的存在使压应力方向发生逆转；联合加载时最大应力上升至约50 kPa，平均应力约13 kPa。细胞学定量分析发现，所有力学刺激条件均显著提高细胞核密度，较静态对照组高约五倍，但局部细胞核密度与应力幅值仅在最极端的15至20 kPa范围内出现弱相关性，应力方向则无显著规律性影响。细胞取向方面，力学刺激显著促进细胞取向排列，且径向扩张条件下的细胞取向与xy Mohr应力角度呈负相关，表明细胞趋向于沿主应力方向垂直排列；但在角向和联合加载条件下，这种规律性减弱。对于平滑肌分化标志物α-SMA，其在所有力学刺激条件下均比静态组高10至20倍，其密度在0至12 kPa范围内与三维von Mises应力呈正相关，超过该范围后转为负相关，提示超生理应力可能抑制平滑肌分化而促使细胞进入生存或静息状态。IV型胶原沉积在联合加载条件下表达最为显著，但局部沉积趋势不明显，表明胞外基质合成可能更依赖于整体力学暴露而非局部应力梯度。以上结果表明，力学刺激的不同细胞响应具有不同的空间调控潜力：增殖和基质沉积倾向于全局性响应，而细胞取向和平滑肌分化则可在厘米尺度上通过应力场空间分布实现局部模式化。
本研究的核心价值在于首次建立了可解析微粗糙表面条件下亚细胞力学状态的有限元仿真框架，并将其与大规模定量组织学数据在空间上逐一配对，从而获得单细胞尺度的力学生物学相关性。该方法学平台不仅适用于本研究的软体机器人生物反应器，还可推广至灌注式、拉伸式、磁性及气动式等多种BigMAC系统。从应用角度看，该框架为组织和细胞产品的力学微环境设计提供了定量依据，有助于实现平滑肌组织梯度的工程化构建，例如在血管组织工程中形成具有不同分化状态的功能区域。
研究的亮点包括：其一，将网格密度提升至10^6至10^7节点每平方厘米，比融合单层细胞密度高100至1000倍，为单细胞力学解析提供了新的标准；其二，创新性地将微沟槽制造伪影纳入有限元模型并进行网格收敛分析，揭示了微尺度表面结构对局部应力的影响幅度可达20%至30%；其三，通过染色密度与力学变量的空间回归分析，首次在厘米尺度组织内系统揭示了应力幅值对增殖、取向、分化和基质沉积的不同调控规律；其四，研究发现不同细胞行为对局部力学变量的敏感性和空间可调性具有本质差异，这一结论对力学生物学理论及生物制造工艺设计均具有启发意义。
论文在讨论中还指出，该研究的机械刺激时长为24小时，与多数同类研究相似，虽然短时刺激已足以诱导MSC的取向、增殖和分化响应，但更长期的培养和重复实验将有助于验证设计方程的稳健性。此外，文中还总结了多种基于人类MSC的循环拉伸培养装置的研究结果，强调多轴力学加载相较于单轴拉伸在模拟血管力学环境方面具有优势。尽管该研究在生物学重复性和不同BigMAC类型的普适性验证上存在不足，但其建立的仿真-组织学配对方法框架为未来力学生物学设计方程的定量化提供了重要的工具基础和实验范式。