长期高G环境下骨组织的生物力学特性和骨重建的力学生物学研究

目的骨组织是人体重要的承重器官,其功能和性质受力学刺激影响。宇航员和飞行员在日常训练中,需要长期承受高G值的力学刺激,而这种极端环境下的力学刺激对骨组织的生物力学特性及骨组织内骨重建的影响尚不明确。本课题旨在得到长期高G下骨组织生物力学性质的理论模型及生物学响应对骨组织的形态、力学特性的影响。方法选用Wistar大鼠和MC3T3-E1成骨细胞系建立了高G环境下的动物模型和细胞模型。将试验对象分为对照组、4×g组、8×g组、10×g组和20×g组。通过三点弯曲试验和蠕变试验测试大鼠股骨的力学特性,并在此基础上构建与G值相关的骨组织的粘弹-粘塑性本构方程;利用Micro-CT和骨组织切片染色,观测骨组织在不同G值下的形态;借助Western Blot和q-PCR技术检测骨组织中骨重建相关蛋白和基因的表达。对成骨细胞进行了形态学和相应骨重建相关蛋白、基因的检测。结果在高G环境下骨组织的屈服应力和断裂强度无明显变化,但20 G环境能够使骨组织的弹性模量显著升高,骨组织本构模型中的参数随G值的增加波动变化;长期高G环境导致骨组织中骨体积分数下降,松质骨的孔隙率增加,骨小梁模式因子有上升趋势;4~20 G范围内的骨组织中骨形成指标OPG和Runx2的表达上升,骨吸收指标RANKL的表达下降,成骨性增强,其中8 G环境对骨组织的影响最小。高G环境下的成骨细胞增殖活性增强,细胞突起减少,细胞微丝肌动蛋白明显增粗;在高G环境下,成骨细胞中OPG和Runx2的表达量上升,RANKL的表达量下降。结论高G环境对骨组织的力学性质的影响呈非线性,并且可能引起骨质疏松,本构关系中的参数变化与形态学参数和骨重建相关,其中8G环境对骨组织的影响较小。高G环境下,骨形成指标表达量上升,骨吸收指标表达量下降,适当的高G刺激对骨重建有积极作用,而导致高G环境下骨量降低的原因仍有较大的探索空间。