摘要：在微重力环境下,宇航员承重骨骨量以每月1.6%的速度丢失,随时间推移出现骨质疏松甚至发生骨折。微重力引起的骨质流失是妨碍人类长期太空驻留和探索地外星球的主要障碍之一。因此,有必要探索微重力诱发骨质大量流失的发生机理,为治疗微重力下骨质流失提供新思路。本研究提出骨组织内陷窝-小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)间隙传质缺失是失重性骨质疏松的主要原因,也是人体骨废用和衰老骨质疏松的重要原因之一。首先,在地球重力场下以自由扩散和对流运输的传质方式对离体骨样本进行传质实验,研究地球重力场下不同分子量示踪剂在LCS的传质规律;其次,通过高速离心机产生超重力环境,研究了超重力场(3、5、8、10 G)下离体牛胫骨样本的传质规律。最后,通过有限元方法对微重力下LCS溶质转运以及骨小管形态对LCS传质的影响进行研究。结果表明,骨单位内深层骨陷窝的荧光强度与哈弗氏管之间的距离成反比,微重力下大分子量的示踪剂无法有效通过LCS向深层骨细胞传输,最终导致骨细胞凋亡。本研究发现,微重力下LCS传质缺失及大分子量溶质无法有效传质是骨质大量流失的关键因素。

摘要：目的长期太空飞行,可导致宇航员失重性骨质疏松。通过模拟研究不同重力环境下骨单位内骨陷窝-骨小管系统(LCS)中营养物质(粒子)的输运情况,从生物力学角度揭示宇航员太空中发生不可逆骨质疏松的深层次原因。方法应用有限元软件COMSOL建立长骨骨干密质骨骨单位含二级孔隙结构(哈弗氏管,骨陷窝-骨小管系统)的三维轴对称流固耦合有限元模型,并应用其粒子追踪功能,模拟研究在微重力(0g)、地球重力(1g)及高G(2~8g)环境下,骨细胞代谢所需营养物质在LCS内随组织液流动的输运情况。考虑骨单位中微动脉的脉动压力并通过施加频率为0.5 Hz的循环压缩载荷模拟人体运动对骨产生的生理载荷。加载初始时刻,在哈弗氏管与LCS连接处释放一定数量的粒子,通过追踪粒子在LCS内输运所能达到的到位置及相应的浓度分析人体运动时重力场对营养物质输运的影响规律。结果由模拟结果可知,加载一段时间后,微重力环境下LCS内粒子的输运速度较慢,且粒子运动过程中始终为横向运动;组织液中粒子输运速度随重力加速度值增大呈线性增加,g值越大,粒子达到各位置陷窝所需时间越短且浓度越大,此时粒子的运动方向兼有横向和纵向。结论由上述结果可知,LCS内物质(粒子)的输运显著依赖于所处的重力场环境,微重力环境下(0g),若骨细胞代谢所需的营养物质长期供应不足,势必导致骨细胞的生物学功能失衡甚至凋亡,从而引起破骨细胞活跃造成大量骨丢失。该研究有望从生物力学方面解释微重力下组织液输运减少是导致航天员骨质疏松的重要原因。

摘要：目的宇航员长期太空飞行时,由于重力场缺失,常使人体发生废用性骨质疏松症。通过数值模拟对比研究不同人工重力(artificial gravity,AG)装置,如下体负压舱(lower body negative pressure,LBNP)和短臂离心机(short arm centrifuge,SAC)对骨细胞力学微环境的影响。方法考虑骨细胞的存在,应用COMSOL软件跨尺度建立股骨骨单位含二级孔隙结构(哈弗氏管、骨陷窝-骨小管系统)的三维有限元模型,模拟研究在地球重力场(1 g)。