文献标题：Characterizing site-specific mechanical properties of knee cartilage with indentation-relaxation maps and machine learning

作者/通讯作者：E. Hamsayeh Abbasi Niasar, L.P. Li

期刊：Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 年份：2023

研究领域：关节软骨生物力学、压痕松弛映射、机器学习、有限元建模

研究目的 / 科学问题：
膝关节软骨存在部位特异性局灶性病变和退变，这可能与组织不均匀性和关节内非均匀力学刺激有关，但完整图景尚不明确。本研究旨在开发一种方法，利用猪膝关节标本量化膝关节软骨的不均匀性。具体目标包括：通过自动压痕-松弛测试和针刺探测获取完整软骨的连续分布特性数据；引入机器学习通过压痕位置聚类来近似组织不均匀性；利用有限元建模获取每个区域的孔隙力学特性。

实验方法（重点：细胞类型、力学加载方式、设备、检测手段）：
细胞类型：本研究并非细胞实验，而是使用14个猪膝关节的新鲜软骨标本进行离体测试。
样本来源：14个猪膝关节，每个膝关节测试100至200个位置。
设备与力学加载方式：使用Biomomentum Mach-1机械测试系统进行自动压痕-松弛测试和针刺探测，以获取软骨厚度和松弛响应数据。
检测手段：自动压痕-松弛测试（测量完整的随时间变化的力学响应）、针刺探测（测量软骨厚度）、机器学习聚类分析（将压痕位置划分为不同区域）、有限元建模（利用压痕-松弛数据和厚度数据获取每个区域的孔隙力学特性）。

核心结果：
在五个软骨区域（股骨滑车沟、外侧髁、内侧髁、胫骨平台等）中各测试最多八个聚类后，发现17个区域（或聚类）能最佳近似关节软骨的部位特异性孔隙力学特性。从14个猪膝关节获得的结果揭示了有趣的区域差异：两个髁在响应缓慢施加的机械载荷时具有相同的有效刚度，但内侧髁在响应快速加载时刚度显著降低。这种力学行为可能与内侧股骨软骨比外侧更容易发生局灶性病变有关。

结论：
本研究成功开发了一种量化膝关节软骨不均匀性的方法，通过17个区域划分有效表征了软骨的部位特异性孔隙力学特性。所推荐的区域划分和获得的组织特性将有助于在未来应用（如膝关节接触建模）中实现组织不均匀性的模拟。

原文文献链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1751616123001790