【摘 要】
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航空医学表明,长期太空飞行会使宇航员的身体发生一系列的适应性改变,而这些变化会引起许多与人体衰老或疾病相似的症状。其中,骨质的大量持续性流失导致的废用性骨质疏松症是阻碍人类长期太空停留的主要原因之一。骨是一种动态更新的组织,通过骨内部的骨细胞感测力学微环境并进行骨量的动态调节以适应外界力学环境。骨单位是骨内的营养和功能的基本单位,重力缺失可能导致对骨细胞的力学刺激不足。本文以宇航员骨丢失量最为严重
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航空医学表明,长期太空飞行会使宇航员的身体发生一系列的适应性改变,而这些变化会引起许多与人体衰老或疾病相似的症状。其中,骨质的大量持续性流失导致的废用性骨质疏松症是阻碍人类长期太空停留的主要原因之一。骨是一种动态更新的组织,通过骨内部的骨细胞感测力学微环境并进行骨量的动态调节以适应外界力学环境。骨单位是骨内的营养和功能的基本单位,重力缺失可能导致对骨细胞的力学刺激不足。本文以宇航员骨丢失量最为严重的股骨骨单位为研究对象,以期从生物力学的角度探索宇航员发生废用性骨质疏松的深层次原因。跨尺度建立了含有二级孔隙结构（哈弗氏管、骨陷窝-骨小管系统）的骨单位流-固耦合三维有限元模型。其考虑了不同重力环境及运动状态对于人体动脉压、骨单位应变载荷的影响。数值模拟对比研究了负重力环境（-1 g）、微重力环境（0 g）、地球重力环境（1 g）及高G环境（2.5 g,3.7 g）下,骨单位固体基质的Mises应力,及骨细胞力学微环境（受到的FSS、液体压力）的变化规律。模拟结果表明:（1）在微重力环境下,骨细胞受到的FSS、液体压力均低于地球重力场下的值,且随g值的增加而增大。静载荷下,即便施加3.7 g重力场,也有少部分骨细胞受到的流体剪切应力未能达到骨细胞能发生生物反应的阈值（0.8 Pa）,表明适度运动对于维持骨量具有重要的作用。（2）地球重力场（1g）和微重力环境（0 g）下,人体以不同频率（0 Hz,0.125 Hz,0.5 Hz,2 Hz,8 Hz）进行高负荷训练（骨应变3000με）,骨细胞表面的液体流速及受到的液体压力均随循环载荷发生周期性变化,比人体静息状态（0 g,0με）时骨细胞表面的流速及受到的液体压力均高2～4个数量级。骨细胞表面受到的液体压力绝对值随载荷频率近似呈线性增加。（3）对比地球重力场（1 g）、微重力环境（0 g）及在微重力环境下使用3种人工重力装置（臂长为7.6 m,2.4 m的离心机,下体负压舱）时,骨基质及骨细胞力学微环境的变化规律表明:微重力环境下长臂离心机提供的人工重力使骨细胞力学微环境更接近于地球重力场下的情况;短臂离心机对于骨细胞力学刺激的提升不明显,但空间上相对于长臂离心机较有优势;而下体负压舱可有效地改善骨细胞的流体力学微环境微重力环境下,宇航员进行阻力训练可以有效对抗骨量的持续流失;力学刺激的缺失可能只是宇航员骨质持续流失的原因之一,而腿部间质液容量以及血管压力的减小可能是另一重要原因;宇航员在进行对抗训练时,根据个体差异适当调节运动阻力与频率可以从一定程度弥补重力缺失对骨细胞力学刺激的不足;相对于离心机,下体负压舱兼具良好的扩展性。本研究从生物力学角度为宇航员对抗骨质疏松症提供理论指导。
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