骨质疏松及其并发症位列太空疾病风险之首,对长期太空飞行的宇航员的健康危害极大,是亟待解决的医学难题。本文认为微重力下骨传质缺失是造成宇航员发生废用性骨质疏松的深层次原因。骨单位呈圆筒状,位于内、外环骨板之间,是长骨骨干的主要结构单位。本文应用COMSOL Multiphysics软件建立长骨骨干密质骨骨单位含二级孔隙结构(哈弗氏管、骨陷窝-骨小管系统)的三维轴对称流固耦合有限元模型,并考虑哈弗氏管内微动脉的脉动压力(压力值范围为33mm Hg-45mm Hg),结合软件的粒子追踪功能,将溶解于组织液中的骨细胞代谢所需要的营养物质等小分子简化成粒子。数值模拟对比研究微重力场(0g)、地球重力场(1g)和高G(2-8g)环境,静载荷作用下骨陷窝-骨小管系统内组织液的输运行为;对比研究微重力场和地球重力场,循环压缩载荷(0.2Hz-2Hz)作用下,骨陷窝-骨小管系统内的传质行为。具体研究内容如下:对包含骨细胞的骨单位三维有限元模型施加静载荷。微重力场,骨陷窝、骨小管及骨细胞内液体的平均流速比地球重力场和高G环境中液体的平均流速低2-3个数量级,且液体的平均流速随重力加速度(1g-8g)增加而线性增大。微重力场,细胞受到的流体剪切力比重力场中受到的流体剪切力小约3个数量级。表明液体的输运行为对重力场具有依赖性。各重力场,组织液均由骨单位模型上部浅层流入,流经骨陷窝-骨小管系统,最后从模型下部浅层流出,形成一个回路,骨小管内的液体平均流速均高于骨陷窝内液体的平均流速。对包含骨细胞的骨单位二维有限元模型施加不同频率(0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz)的循环压缩载荷,模拟人体日常活动。结果表明地球重力场和微重力场,骨细胞的生物力学响应参数值(细胞内的平均液体压力、平均流速和平均应力)均随载荷频率增加而增大。细胞能感知微小的压力差,而微重力场中细胞内不存在在地球重力场及高G环境中所具有的显著液体压力梯度。在骨单位固液耦合两相模型的基础上,结合软件的粒子追踪功能数值模拟研究骨细胞代谢所需营养物质等小颗粒(溶质)随组织液流动的传质行为。结果表明,微重力场下各层骨陷窝内粒子的平均输运速度较地球重力场小约3个数量级,且微重力场易造成粒子在骨陷窝内堆积。在地球重力场,中间层和深层骨陷窝内粒子数的平均值随载荷频率(0.2Hz-2Hz)单调增加呈线性相关;微重力场,中间层和深层骨陷窝内粒子数的平均值随载荷频率非单调增加呈振荡趋势,如粒子数平均值随载荷频率先增加(0.2Hz-0.5Hz),后减小(0.5Hz-0.8Hz),再增加(0.8Hz-2Hz),出现这种现象可能与骨组织自身的振动特性有关。当宇航员在太空随同飞船在轨绕地球做高速运动时,其所受到的地心引力即重力用于产生人体绕地球做圆周运动的向心加速度,因此,重力作用大大减弱,使人体处于微重力环境(0g),此时无论人体处于何种姿态身体都是舒展的,基本上消除了沉降、浮力对流和体内的静压力梯度。本文模拟结果可知,相比于重力场,微重力场中骨陷窝-骨小管系统内组织液的输运规律发生显著的变化,除了微重力场中骨细胞内不存在在重力场内所具有的液体压力梯度,还易造成距离哈弗氏管较远的中间层和深层骨陷窝内的骨细胞无法获得充足的营养物质和足够的力学刺激。这些因素会造成骨细胞的生物学功能失常甚至凋亡、导致破骨细胞活跃从而造成骨质丢失,适度的锻炼可以改善这种情况。本文的研究工作有望从生物力学的角度解释微重力场骨陷窝-骨小管内溶质输运量减少是导致宇航员骨质疏松的深层次原因,为宇航员长期太空飞行对抗骨丢失提供理论指导并为对抗做研究基础。