TopoGEN：用于纤维网络力学计算建模的拓扑驱动微结构生成
软凝聚态物质
2025-09-03 v2 组织与器官
摘要
机械生物学和生物力学领域正在不断拓展我们对跨多个尺度的软生物组织复杂行为的理解。鉴于组织微结构与其宏观力学行为之间存在错综复杂的联系，揭示这一力学机制关系仍是一个持续的挑战。重构纤维网络作为有价值的体外模型，可简化体内系统的复杂性以进行针对性研究。同时，成像技术的进步使得微结构可视化成为可能，并通过生成式流水线将其建模为离散元网络。这些介观尺度模型为宏观组织行为提供了洞察。然而，目前仍没有明确的方法能够将实验观察到的微结构变化系统地纳入生物网络的计算模型中。在本工作中，我们开发了一个新颖的框架，利用高分辨率图像生成拓扑驱动的离散纤维网络，该网络考虑了聚合过程中的环境变化如何影响所得结构。利用这些网络，我们生成了相互连接的承重纤维组件模型，这些组件在压缩下表现出软化且具有抗弯性。该生成式拓扑框架能够控制网络级特征（如纤维体积分数和交联密度）以及纤维级属性（如长度分布），以模拟由不同聚合条件驱动的变化。我们在一个针对胶原蛋白的案例研究中验证了模拟的稳健性，在该研究中我们考察了不同条件下胶原蛋白网络的非线性弹性响应。TopoGEN 为组织生物力学和工程学提供了一个工具，通过将图像衍生的微结构拓扑组织与软组织力学联系起来，帮助弥合微结构洞察与宏观力学行为之间的鸿沟。
引用
@article{arxiv.2503.19832,
title = {TopoGEN: topology-driven microstructure generation for in silico modeling of fiber network mechanics},
author = {Sara Cardona and Mathias Peirlinck and Behrooz Fereidoonnezhad},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.19832},
year = {2025}
}