微重力场下对抗性训练对骨小梁和成骨细胞力学行为影响的模拟研究

摘要

目的:研究微重力场下宇航员对抗性训练对骨小梁和成骨细胞的力学行为影响,从一定程度上揭示微重力场下对抗性训练防治废用性骨质疏松的生物力学机理。方法:建立包含骨小梁、成骨细胞和骨髓的松质骨有限元模型,将骨小梁和成骨细胞定义为各向同性线弹性材料,模拟研究地球重力场(1×g)和微重力场(0×g)下,人体静止(应变幅值为0με)及不同强度的运动状态时(应变幅值分别为100、700、2000和3000με)骨小梁、成骨细胞的力学微环境(液体流速、液体压力、von Mises应力、应变)的变化规律。结果:地球重力场和微重力场下,人体运动时成骨细胞表面的液体流速均高于静止状态,且地球重力场下成骨细胞表面的液体流速高于微重力场。微重力场下,相比静止状态,运动可明显提高骨小梁、成骨细胞的液体压力,且相同运动条件下骨小梁、成骨细胞的液体压力无较大差异;不同强度的对抗性训练均可对骨小梁、成骨细胞产生一定的应力刺激,而骨小梁的von Mises应力与对抗性训练强度呈正相关;成骨细胞的应变值明显高于骨小梁,而且骨小梁、成骨细胞应变均与加载位移呈正相关。结论:微重力场下,宇航员进行对抗性训练可明显改善骨组织和成骨细胞的力学微环境,有助于维持骨密度,从而减轻废用性骨质疏松症。