运动载荷下骨组织内源性电刺激的模拟研究

目的生理载荷作用于人体骨组织产生的内源性电刺激可改变骨细胞膜表面电位并增强细胞生物活性从而调控骨重塑防治骨质疏松。通过数值模拟对比研究人体静息/运动(如走路、慢跑、快跑,频率分别取为1、2、3 Hz)状态下骨细胞膜表面流动电势的变化规律,揭示动载荷对骨内流动电位的促进作用。方法使用Solidworks软件建立包含骨细胞并具有二级孔隙结构(哈弗氏管,骨陷窝-骨小管)的骨单位模型,应用有限元软件COMSOL建立其流固耦合有限元模型。在骨单位上表面及哈弗氏管入口处分别施加位移载荷、脉动压力进行计算并提取骨小管进出口的液体压力施加于细胞模型,研究骨细胞表面流动电势的分布规律。结果静息状态下骨细胞表面仅产生正电势且不超过1 n V。各频率运动时流动电势较静息状态均高3个数量级且可给予骨细胞正/负电信号刺激,频率1 Hz时正(负)流动电势最大值为2.059μV(-1.807μV);频率2、3 Hz比1 Hz时的正(负)流动电势绝对值分别提高了152%(92%)、151%(119%)。结论运动可显著提高骨细胞表面的流动电位并促进电信号的产生,从而增强骨的内源性电刺激防治骨质疏松。研究结果一定程度上揭示了骨内电刺激产生的规律,为临床防止骨丢失提供理论指导。