重力是维持人体生理的基础,一般情况下人体只受到1G的重力作用,但是随着外部环境或运动形式的变化,人体会承受额外的惯性力作用。如果其惯性力和所受重力的矢量和大于1G,则称为高G。近年来,航天器的升空和返回、航母舰载机的起降都面临高G极端环境,使驾驶员和航天员受到高G力学作用。骨骼系统作为维持人体生命的重要系统,在高G极端环境下,骨骼的形态结构和力学性能的变化,骨矿物质含量的变化,骨骼系统组织的损伤、重建机理的研究都是力学生物学急需解决的问题。本实验通过建立动物实验模型,借助生物力学手段,研究不同强度的高G力学载荷下对骨组织的影响及其可能的作用机理,为对抗极端力学环境对骨组织损伤的相关研究奠定理论基础。挑选48只280~320g的健康大鼠并随机分为5组,对照组、2G组、4G组、6G组及8G组。高G组的大鼠每天均高G载荷暴露3次,每次持续作用时间为3min,间隔40min,每周5天,共持续4周。对照组不进行任何暴露,正常饲养4周。实验结束后,获取大鼠的两侧股骨,进行宏观力学三点弯曲试验,基于Micro-CT的微观显微结构参数的检测以及股骨骨干化学成分的定量分析。实验结果表明,高G极端环境明显抑制了大鼠的生长。对照组的大鼠体重大幅度增长,第2周开始与高G组具有明显的差异。第3周开始2G组的体重保持在320g左右,4G组、6G组和8G组的大鼠体重则停留在310g左右,但是对照组的体重一直在大幅度增长。在宏观力学性能方面,2G组、4G组、6G组和8G组的极限载荷相对对照组分别下降18.6%、12.8%、19.3%、8.3%,极限挠度也分别下降16.1%、8.2%、11.5%和18.0%,但是在高G组之间并没有明显的差异(P>0.05),在弹性模量参数上也不存在显著性差异(P>0.05)。微观显微结构方面,股骨松质骨和皮质骨的骨矿物质密度都没有明显的变化(P>0.05)。高G组的骨小梁分离度相对对照组增大,皮质骨的孔隙率也随着G值的增大而增大,在其它骨结构参数上没有明显的变化。在化学成分定量分析上,对照组的钙含量最高,磷含量最低。随着G值增大,钙含量显著减少,磷含量显著增加(P<0.05),但是对镁、钾、钠含量没有明显的变化(P>0.05)。根据实验数据表明,高G极端环境导致了明显的骨损伤。高G环境会抑制大鼠生长,使体重显著下降,同时降低钙含量、显著增加磷含量,并增加骨小梁的分离度和皮质骨的孔隙率,使骨结构疏松,导致股骨的力学性能下降,即极限载荷和极限挠度降低,脆性增加,但是对矿物质密度没有明显的变化。根据大鼠体重、皮质骨孔隙率和钙、磷含量的变化,可以推断随着G值的增大,对大鼠的损伤更加严重。