[论文解读] Multiscale Network Model for Fibrin Fibers and Fibrin Clot with Protofibril Binding Mechanics

Sumith Yesudasan, Rodney D. Averett|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Blood properties and coagulation参考文献 22被引用 3

一句话总结

本文提出了一种多尺度网络模型，整合了原子模拟数据与实验数据，用于模拟纤维蛋白纤维及凝块的非线性力学行为。通过将原纤维建模为具有结合力的非线性弹簧网络，该模型能够准确预测单根纤维及宏观尺度凝块的力-拉伸曲线，解释其偏离蠕虫状链行为的原因，并在小应变至大应变范围内（包括接近断裂时）验证了其强大的预测能力。

ABSTRACT

The multiscale behavior of the individual fibrin fibers and fibrin clots is modeled by coupling atomistic simulation data and microscopic experimental data. We propose a protofibril element made up of nonlinear spring network, constructed based on the molecular simulation and atomic force microscopy results to simulate the force extension behavior of fibrin fibers. This new network model also accounts for the complex interaction of protofibrils with each other, effect of presence of solvent, Coulombic attraction and other binding forces. The network model is applied to simulate the force extension behavior of single fibrin fiber from atomic force microscopy experiments and shows good agreement. Thus validated fibrin fiber network model is then combined with a modified version of Arruda-Boyce eight chain model to estimate the force extension behavior of continuum level fibrin clot, which shows very good correlation. The results show that this network model is able to predict the behavior of fibrin fibers as well as fibrin clot at small strains, large strains and even closer to the break strain. We use the network model to explain why the fibrin clots and fibers doesn't behave like a worm like chain, instead behaves like a nonlinear spring.

研究动机与目标

• 开发一种可预测的多尺度模型，以捕捉纤维蛋白纤维与凝块在多个长度与时间尺度下的力学行为。
• 解释为何纤维蛋白纤维与凝块在受力加载下不遵循蠕虫状链模型，而是表现出非线性弹簧样力学行为。
• 将原子尺度模拟数据与原子力显微镜（AFM）实验数据整合到统一的机械网络模型中。
• 在力学响应中考虑复杂相互作用，如原纤维结合、溶剂效应及库仑力。
• 通过与实验AFM数据对比，验证模型在小应变、大应变及接近断裂应变范围内的预测能力，并将其扩展应用于宏观尺度凝块力学，采用改进的Arruda-Boyce模型。

提出的方法

• 基于分子动力学模拟数据与AFM测量结果，构建原纤维单元作为非线性弹簧网络。
• 将库仑吸引作用与溶剂效应等结合力引入原纤维网络模型。
• 利用经验证的原纤维网络模型模拟单根纤维的力-拉伸行为，并与AFM实验结果进行比较。
• 将原纤维网络模型与改进的Arruda-Boyce八链模型结合，模拟宏观尺度下的纤维蛋白凝块力学行为。
• 通过实验数据校准模型参数，确保在小应变、大应变及接近断裂应变范围内的结果一致。
• 通过模拟力-拉伸曲线与实验观测的对比，验证模型的预测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 原纤维间的相互作用与结合力学如何影响纤维蛋白纤维的非线性弹性？
• RQ2 为何纤维蛋白纤维在机械加载下偏离蠕虫状链模型？
• RQ3 多尺度网络模型能否准确预测单根纤维蛋白纤维在生理应变范围内的力-拉伸响应？
• RQ4 如何将单根纤维蛋白纤维的力学性质上推至宏观尺度，以预测纤维蛋白凝块的整体行为？
• RQ5 溶剂效应与静电作用在纤维蛋白网络的力学响应中起何种作用？

主要发现

• 原纤维网络模型成功再现了原子力显微镜测量所得的单根纤维蛋白纤维的力-拉伸行为。
• 该模型表明，由于原纤维间结合与结构重排，纤维蛋白纤维表现出非线性弹簧样力学行为，而非蠕虫状链行为。
• 引入库仑吸引作用与溶剂效应显著提升了模型在捕捉力学响应方面的准确性。
• 将原纤维网络与改进的Arruda-Boyce八链模型结合的混合模型，在宏观尺度下与纤维蛋白凝块的实验数据表现出强相关性。
• 该模型在小应变、大应变及接近断裂应变范围内均能准确预测力学行为，表明其在广泛变形范围内的鲁棒性。
• 经验证的模型通过原纤维网络的重排与结合力，为纤维蛋白凝块的力学韧性提供了机制性解释。