骨骼肌是脊椎动物运动和姿势维持的核心执行器，其功能依赖于从分子到器官尺度的精密层次结构。然而，骨骼肌的力学行为表现出高度非线性、率相关性和时间依赖性，这主要源于肌纤维内部肌节的功能可塑性以及细胞外基质的粘弹性贡献。传统肌肉模型多采用唯象学方法，难以揭示微观结构变化与宏观力学响应之间的内在联系。为此，研究人员在《Acta Biomaterialia》上发表论文，发展了一种基于肌节微观机制的多尺度连续介质模型，旨在跨越分子与组织尺度之间的鸿沟。
该研究的关键技术方法包括：基于肌节水平大分子网络分解的统计力学框架，将肌原纤维力学响应分解为肌联蛋白（TTN）和弱结合（WB）相互作用的独立贡献；采用逆朗之万函数和Weibull累积分布函数描述TTN免疫球蛋白（Ig）结构域的展开/重折叠动力学；结合胶原纤维取向和细胞外基质（ECM）的各向同性组分，通过均匀化方法获得纤维尺度本构关系；利用差分进化算法对小鼠、猪、大鼠和人类肌肉的实验数据进行参数识别和模型验证。
肌节尺度大分子网络类比建模
肌节被概念化为由肌动蛋白-肌球蛋白弱结合（WB）和肌联蛋白（TTN）长丝两个大分子网络组成的复合系统。WB相互作用模拟为可逆的肌动蛋白-肌球蛋白结合，贡献于被动条件下的初始刚度；TTN长丝则被视为具有有限伸展性的蠕虫状链，其Ig结构域在拉伸下发生展开，导致应力非线性上升。模型通过动态内变量描述这两个子系统的刚度演化，其中TTN的有效剪切模量随时间弛豫过程逐渐趋近于目标值，捕获了被动刚度发展的延迟现象。
非仿射变形与微结构重组
模型引入非仿射变形概念，以反映肌节内结构元件（如TTN结构域和WB）在拉伸过程中不同步、非均匀的募集过程。这种 staggered recruitment 机制是导致宏观尺度上时间依赖性力学行为（如应力松弛）的微观基础。模拟结果表明，在快速拉伸初期，有效刚度较低，随着微结构重排的进行，刚度逐渐增加至平衡值。
模型验证与多尺度整合
研究人员将建立的肌原纤维模型与代表胶原纤维（OCFs）和蛋白聚糖-rich细胞外基质（PG-ECM）的各向同性和各向异性组分相整合，形成完整的肌纤维尺度本构模型。模型成功复现了不同物种（小鼠、猪、大鼠、人）肌肉在被动拉伸实验中的应力-应变曲线、率敏感性以及短期应力松弛行为。例如，对猪最长肌（Longissimus Dorsi）的模拟与实验数据高度吻合，平均绝对误差仅为0.84±0.75 kPa。
被动-主动耦合的初步探索
尽管研究主要聚焦于被动力学响应，模型仍引入了一个简化的主动项，以探索激活如何通过共享的结构通路调制刚度。该主动应力项是激活水平、力-长度关系和力-速度关系的函数，在模拟大鼠胫骨前肌（Tibialis Anterior）的电刺激实验时，模型准确捕捉了主动收缩下的应力响应。
研究表明，该多尺度模型能够将肌节水平的分子事件（如TTN结构域展开、肌动蛋白-肌球蛋白弱结合）与肌纤维的整体力学行为有机联系起来，无需引入经验性的粘弹性项。模型参数具有明确的生理意义（如TTN结构域展开力、WB结合率），增强了模型的解释力和预测能力。通过整合微观结构重组和速率依赖的募集动力学，该框架为模拟健康与病变肌肉的复杂力学行为提供了新途径，尤其在理解肌肉疲劳、衰老相关僵硬性变化以及神经肌肉疾病机制方面具有潜力。未来工作可进一步引入更详细的激活动力学、横向力传递通路以及病理条件下的微结构重塑机制，以拓展模型的临床应用前景。
