回归引导的拉胀支架计算设计及其在软组织工程中的应用

《International Journal of Mechanical Sciences》：Regression-guided computational design of auxetic scaffolds for soft tissue applications

本研究针对传统组织工程支架机械适应性不足的问题，开发了一种结合有限元法（FEM）和回归模型的计算框架，用于拉胀支架的逆向设计。研究人员通过系统优化四种拉胀微结构，成功模拟了人皮肤复杂的非线性各向异性力学性能，并开发了用户友好的软件工具，可自动生成优化后的制备就绪设计。该研究显著推进了软组织工程中患者特异性支架的开发能力。

　　

在组织工程和再生医学领域，开发能够精确模拟天然组织力学性能的支架结构一直是个重大挑战。传统的组织工程支架往往在机械适应性方面存在不足，难以匹配动态生理环境中的复杂力学行为。而拉胀超材料因其负泊松比的独特特性，展现出可调的力学行为，非常适合用于软组织应用。然而，拉胀材料的设计通常依赖于低效的、反复试错的迭代过程，这严重限制了其在实际临床应用中的潜力。

为了突破这一瓶颈，发表在《International Journal of Mechanical Sciences》上的研究提出了一种集成的计算框架，用于拉胀支架的逆向设计。该研究团队将有限元法模拟与基于回归的模型相结合，开发出能够直接将微观结构参数映射到宏观力学响应的准确预测模型。这种数据驱动的方法使得研究人员能够严格优化四种不同的拉胀结构，以复制人皮肤复杂的非线性各向异性特性，并与文献目标达成高度一致。

研究的主要贡献之一是开发了一个用户友好的软件工具，该工具整合了整个设计流程。用户只需输入目标力学性能，工具就能自动生成优化的、制备就绪的设计（包括定制的熔体电写G代码），有效弥合了理论超材料优化与实际临床应用之间的差距。这种方法支持稳健的、患者特异性的支架开发，显著提升了软组织工程的能力。

为开展这项研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先通过设计实验系统性地改变四种拉胀几何结构的关键参数；利用有限元法模拟双轴加载条件下支架的力学行为；基于模拟数据训练统计回归模型，预测支架有效刚度和应变；最后采用优化算法识别匹配特定力学目标的支架几何构型。所有支架几何结构均专门为熔体电写制备技术设计。

2.1. 选定的拉胀几何结构

研究人员基于前期工作基础，选择了四种重入式拉胀设计作为支架的微结构：H-cell (HCELL)、S-regular (SREG)、S-inverted (SINV)和S-triangular (STRI)。这些设计通过基本单元细胞进行表征，并进行了参数化以研究几何变化对支架力学响应的影响。

2.2. 实验设计

研究采用结构化的实验设计策略，系统覆盖了选定几何参数的设计空间下、中、上区域。参数组合产生了包含324个独特支架配置的数据集，每种拉胀设计由81个独特配置表示。

2.3. 数值模拟

通过有限元法模拟评估支架的力学性能，模拟复制了双轴拉伸条件下支架的力学行为。数据分析聚焦于识别支架纤维完全拉伸的状态，测量应变(ε_aux)并计算弹性模量(E_aux)。

2.4. 统计建模和优化程序

统计回归模型用于表征支架设计参数与其力学响应之间的关系。为每种拉胀设计构建了单独的回归方程，总共产生八个模型。优化框架旨在探索定义的设计空间，寻找实现特定目标力学行为的配置。

3.1. 有限元模拟证明拉胀支架的设计依赖性、非线性力学行为

有限元模拟结果显示，拉胀支架表现出非线性力学响应，具有软组织特有的"J形"行为。不同拉胀设计显示出不同的行为模式：HCELL和SINV设计显示低应变值，变形能力有限；SREG和STRI设计达到更高应变值，变形能力更大。

3.2. 针对目标力学性能的统计建模和优化

统计回归模型显示出高预测精度，E_aux模型的调整R2值超过0.96。通过比较随机网格搜索、暴力搜索和遗传算法三种优化策略，确定随机网格搜索为最有效的方法。

3.3. 拉胀支架为复制软组织行为提供可靠解决方案

应用回归和优化方法识别能够复制人皮肤力学行为的拉胀支架配置。STRI设计在所有三个目标上表现出最一致和准确的性能，预测偏差约为2%，地面真实误差低于9%。

3.4. 开发用于支架设计优化和3D打印的计算工具

研究人员开发了一个计算工具，集成了训练好的预测模型和优化算法，可直接生成相应的3D打印或有限元文件。该工具提供"手动模式"和"预测模式"两种操作方式，简化了从设计到制造/仿真的过渡。

研究结论表明，通过集成有限元模拟与回归预测建模，建立了一种能够有效识别匹配特定力学目标的支架几何形态的方法论。不同拉胀设计在刚度谱上的独特性能突出了该框架在解决人皮肤异质性和各向异性特性方面的多功能性。

逆向设计方法学能够准确识别匹配患者特异性力学目标的最佳支架几何形态，而无需迭代试错制造。回归模型针对高保真有限元"数字孪生"的验证证实了该方法在探索复杂设计景观方面的可靠性。

将研究发现转化为用户友好软件工具是该研究的重要贡献，该应用弥合了理论超材料设计与临床效用之间的差距，使生物工程师和临床医生能够基于简单的目标力学输入生成定制支架架构。

总体而言，这种集成工作流程显著推进了个性化再生医学领域，为设计机械相容的组织替代物提供了一条可扩展且高效的路径。未来的工作应侧重于优化配置的实验验证、细胞-支架相互作用的深入研究，以及纳入与皮肤组织再生相关的动态载荷、粘弹性行为和生物线索等其他因素。