目的：表征大鼠膝关节在渐进性内翻加载下的胫股关节接触力学，评估统计形状与外观模型（SSAM）能否再现标本特异性生物力学行为，并评估该半月板缺损计算-实验框架能否作为研究载荷重分布的受控临床前平台。方法：基于5只雄性Sprague Dawley大鼠10个后肢的显微CT（micro-CT）图像重建三维大鼠膝关节模型。将每个肢体模型轮流指定为目标模型，其余肢体模型作为主成分分析（PCA）的训练数据集以开发SSAM。采用有限元分析（FEA）评估0%、50%和100%内翻加载模拟站立位时内侧和外侧间室的最大接触压力和接触面积。由于有限元模型未包含半月板，实验验证在匹配的半月板缺损条件下使用定制生物力学测试装置完成。采用方差分析（ANOVA）比较不同加载条件和模型类型间的生物力学结果。结果：FEA和实验结果均显示最大接触压力和接触面积在不同内翻加载水平下呈现一致的变化模式。与0%内翻相比，50%和100%内翻加载使内侧最大接触压力和接触面积分别增加最高达0.55 MPa和1.28 mm2。外侧间室则呈现降低趋势，最大降幅分别为0.43 MPa和1.76 mm2。在测试的加载条件下，标本特异性FEA模型与相应SSAM预测模型之间未检测到统计学显著差异（P > 0.05）。结论：渐进性内翻加载在FEA和实验测试中均使接触力学向内侧间室转移，SSAM以良好的一致性再现了这些趋势。这些发现支持将现有SSAM-FEA框架作为受控生物力学工具，用于研究大鼠半月板缺损膝关节的内翻诱导接触重分布。然而，由于模型排除了半月板、采用简化材料假设并施加静态加载，结果应主要在内翻半月板切除术后生物力学背景下解读，而非作为自然发生的人类膝骨关节炎的直接替代。
膝骨关节炎（KOA）是全球超过3亿人的主要致残原因，仅美国每年的全因医疗支出就超过4600亿美元。该退行性关节疾病从根本上改变膝关节的生物力学环境，其中内翻畸形既是疾病进展的危险因素也是其后果。KOA发病机制的力学基础在于异常载荷分布：内翻畸形使膝关节的负重轴向内侧偏移，导致胫股内侧间室承受过度应力——该间室的发病频率可达外侧间室的十倍。这种持续的机械超负荷启动超出软骨细胞稳态能力的退行性级联反应，通过涉及炎性介质、基质金属蛋白酶和细胞代谢改变的力生物学途径 perpetuating 软骨破坏。
动物模型，特别是Sprague Dawley大鼠等啮齿类模型，因其实用性、实验可操作性和与控制性诱导方案的兼容性而被广泛用于研究KOA相关生物力学变化。然而，从临床前模型到人类疾病的转化仍具挑战性，部分原因在于鲜有定量框架能够将标本水平解剖学与经实验验证的关节力学联系起来。有限元分析（FEA）与统计形状与外观模型（SSAM）的结合提供了一种潜在的标本知情生物力学分析方法，可减少重复破坏性测试的需求，同时实现受控的参数化评估。然而，当前临床前计算膝关节模型常缺乏严格的实验验证，其解剖结构、材料特性和边界条件的报告也可能不足以支持可重复性或谨慎解读。因此，仍需建立一个经验证的框架，能够在受控加载条件下再现大鼠膝关节的接触力学重分布。
本研究旨在开发和实验验证一种大鼠膝关节SSAM-FEA平台，以预测渐进性内翻加载下的胫股关节接触力学。由于有限元模型未包含半月板，且实验验证在半月板切除后进行，本研究设计代表一种半月板缺损、类半月板切除术后生物力学场景，而非完整膝关节的完全生理状态。
研究人员开展了以下工作：首先，对5只健康雄性Sprague Dawley大鼠（2月龄，约300 g）的10个后肢进行micro-CT扫描（Skyscan 1172，Bruker，比利时），体素分辨率18 μm。将CT图像导入Mimics 21.0进行分割，重建远端股骨、近端胫腓骨和髌骨的三维模型，并镜像左侧膝关节以统一为右侧代表。采用留一法验证策略构建SSAM：对每个肢体模型，以其余9个肢体模型为训练集进行主成分分析，在±3倍标准差范围内随机重采样20次生成预测模型。
有限元分析在ANSYS Workbench 2020中进行。软骨建模为0.25 mm厚的六面体层，材料为均质、各向同性、线弹性，杨氏模量6 MPa，泊松比0.49。骨组织采用基于micro-CT等效矿物密度的异质性材料赋值，遵循文献报道的大鼠骨密度-模量关系E = 8362.8(ρ
EQUIV)
2.56。模型包含前交叉韧带（ACL）、后交叉韧带（PCL）、内侧副韧带（MCL）和外侧副韧带（LCL），以仅受拉弹簧单元表示。软骨-软骨界面设为无摩擦滑动接触。边界条件模拟站立位：胫腓骨远端完全固定，膝关节屈曲80°，股骨股骨头施加2.94 N垂直压缩载荷（约相当于300 g大鼠体重）。通过从内到外重新分配载荷实现内翻加载：50%内翻时内侧间室载荷增加50%、外侧减少50%；100%内翻时全部载荷集中于内侧间室。
实验验证使用定制生物力学测试平台，对同一批大鼠膝关节标本在半月板切除后测试。膝关节固定于80°屈曲位，通过3°和6°股骨内翻角分别对应50%和100%内翻条件，施加2.94 N静态轴向载荷5秒，使用Prescale
®压力敏感薄膜记录接触应力分布，每个条件重复3次。
主要结果方面，接触压力分布显示：0%内翻时内外侧间室压力分布均匀；随内翻加载增加，接触应力逐渐向内侧间室转移。SSAM预测模型的压力分布模式与原始标本模型高度相似。具体数值上，内侧峰值压力在0%内翻时原始样本FEA为1.77 MPa、SSAM预测为1.80 MPa、实验测量为1.77 MPa；50%内翻时分别为2.06、2.15和2.05 MPa；100%内翻时分别为2.30、2.35和2.40 MPa。外侧峰值压力相应降低，100%内翻时实验测量降至1.10 MPa。
接触面积结果显示：内侧间室随内翻加载增加而增大，0%到100%内翻时样本增加约1.07 mm
2，SSAM预测增加1.28 mm
2，实验增加约1.11 mm
2。外侧间室则减少，100%内翻时样本减少约1.37 mm
2，SSAM预测减少1.17 mm
2，实验减少约1.42 mm
2。方差分析表明，在测试的加载条件下，SSAM预测模型与标本特异性模型之间在峰值压力和接触面积上均无统计学显著差异（P > 0.05）。
讨论部分，研究人员指出本研究最重要的发现是：增加内翻加载持续使胫股关节接触力学向内侧间室转移，表现为内侧峰值接触压力和接触面积增加以及外侧载荷减少。标本特异性FEA模型、SSAM预测模型与实验测量之间的一致性表明，现有工作流程能够在受控加载条件下再现大鼠膝关节接触重分布的整体模式。这一内翻加载的内侧偏移与已建立的力学效应一致，支持该框架作为计算-实验工具用于比较生物力学分析的价值。
研究人员同时强调了若干重要限制。由于模型未包含半月板且实验在半月板切除后进行，该框架最适宜理解为代表半月板缺损或半月板切除术后生物力学状态。半月板作为主要承重和载荷分布结构的缺失，预计会使绝对接触压力高于完整关节，因此报告的绝对值不应直接外推至正常生理状态，尽管内翻诱导载荷转移的相对趋势对于该特定加载场景仍具参考价值。软骨被建模为均质、各向同性、线弹性材料，韧带简化为弹簧单元，这些假设虽提高了计算可处理性，但未能捕捉天然关节组织的全部粘弹性、各向异性和非线性行为。加载配置也被有意简化：标准化静态轴向载荷在固定屈曲角施加，虽为模拟与实验的直接比较提供了实用基础，但未能反映步态期间的动态交替载荷、变化关节运动学或润滑效应。此外，构建SSAM的解剖数据集有限，仅包含5只年轻雄性大鼠的10个后肢，这限制了模型所代表的生物学多样性。
展望未来，研究人员指出需要扩大样本量、纳入更广泛年龄和性别分布的动物、整合半月板几何结构，并采用更生理现实的软骨和韧带本构模型。这些改进将增强模型的生理相关性，并阐明该框架应用于更广泛关节退化问题的程度。此外，将现有平台扩展至对线矫正和载荷重分布的受控研究，可能为未来高位胫骨截骨术等手术的生物力学模拟以及研究解剖和对线如何共同影响间室载荷传递提供有用基础。
研究结论部分翻译如下：研究人员开发和实验评估了一种渐进性内翻加载下的大鼠膝关节SSAM-FEA框架。结果显示，增加内翻对线持续使接触力学向内侧间室转移，导致更高的内侧峰值接触压力和接触面积以及外侧载荷的减少。SSAM预测模型以与标本特异性有限元模型和实验测量的合理一致性再现了这些趋势，表明所提出的工作流程能够捕捉大鼠膝关节内翻诱导接触重分布的整体模式。在本研究的范围内，该框架提供了一种有用的计算-实验工具用于比较生物力学研究。同时，当前模型应在其建立的特定条件下解读，即半月板缺损、静态加载的大鼠膝关节模型，具有简化的软组织材料表征和有限的样本多样性。需要进一步改进，包括整合半月板几何结构、更生理现实的本构行为、更广泛的生物学采样以及动态加载条件，才能得出更广泛的生理学或转化性结论。
