成骨细胞作为骨组织工程的种子细胞,其行为和功能很大程度上受骨组织间隙液流动产生的流体剪应力(FSS)影响。因此,对于成骨细胞而言,FSS是一种重要的力学刺激,影响成骨细胞的增殖、分化和迁移等细胞行为。在体外实验中,通常利用平行平板流动腔(PPFC)或者微流体通道对成骨细胞施加FSS,基于流动腔的相关数值模拟研究得到了经过细胞上表面的流体流动在细胞表面产生的应力、应变以及细胞的变形情况。然而,在众多研究中,却很少有人关注细胞-基底之间的流体流动。流动腔内细胞通过黏着斑(FAs)连接到基底上,当施加剪切流刺激时,流体不仅经过细胞上表面形成腔面流(CFF),还有一小部分流体流过细胞-基底之间的间隙空间从而形成间隙流(IFF)。探究细胞-基底IFF有助于进一步理解实验中观察到的现象和成骨细胞对剪切流刺激的响应机制。由于细胞-基底IFF难以用实验的方法观察和测量,因此本文采用数值模拟的方法重点考察细胞-基底IFF对成骨细胞底面及其黏着斑的作用情况,同时也探究CFF在成骨细胞上表面产生的机械应力。主要研究内容和结论如下:(1)构建包含细胞和细胞-基底间隙空间的几何模型根据PPFC宽度远大于高度的设计原则,结合流动腔内成骨细胞受到稳定均匀的充分发展的剪切流刺激,本研究将长方体流动腔的长宽高分别设定为4 mm、2.4mm和0.1 mm。根据实验观察和已有文献将成骨细胞理想化为扁平的半椭球,其长轴和短轴以及高度分别为50μm、40μm和6μm,细胞长轴垂直/平行于流体流动方向。由于黏着斑具有一定大小和高度,本研究根据文献报道将其理想化为高度为100 nm的小圆柱,圆柱的半径初步确定为1μm。成骨细胞通过20个相同的较为均匀地分布在细胞底面边缘处的圆柱状黏着斑与基底连接,忽略基底其它因素的影响。利用三维建模软件SolidWorks10.0来构建在PPFC中含有CFF和细胞-基底IFF的几何模型。(2)数值模拟探究CFF对成骨细胞上表面产生的剪应力/压应力分布情况对所构建的黏着斑半径为1μm的几何模型,利用软件Gambit2.4.6进行网格划分,将划分的网格导入Fluent内进行一系列参数选择和条件设置,其中,主要控制的条件包括:根据流动腔内入口平均流速为16.62 mm/s的剪切流在达到充分发展时的抛物线规律分布的速度函数,编写用户自定义函数(UDF)文件来给定入口处的速度边界条件;在判定计算收敛性时,除了设置残差标准外,还监控了壁面剪应力和出入口的质量流量误差。通过对细胞表面和黏着斑附近的网格加密,设定了三种网格划分方案来进行网格无关性验证。最终计算结果表明,无论细胞长轴垂直或平行于流体流动方向,CFF在成骨细胞上表面产生的剪应力和压应力具有一定的分布规律,即在细胞顶端剪应力最大,越靠近细胞底面剪应力逐渐减小,压应力最大值出现在迎水面,最小值出现在背水面,这样的结果和文献中的一致,同时也表明本研究所建立的包含细胞-基底间隙空间的几何模型是合理的。(3)数值模拟探究细胞-基底IFF在成骨细胞底面产生的应力分布利用所建立的黏着斑半径为1μm的几何模型,在流动腔的入口处设置平均流速为16.62 mm/s的抛物线规律分布的速度边界条件,经过一系列的步骤计算得到,细胞与基底之间的IFF在细胞底面产生的剪应力由于黏着斑的存在而发生局部应力集中的现象,IFF在细胞底面产生的压应力沿流体流动方向逐渐减小。(4)数值模拟探究入口平均流速和黏着斑半径对IFF及其在黏着斑上产生的应力的影响细胞长轴垂直于流体流动方向的情况下,不改变几何模型中其他尺寸,将几何模型中黏着斑的半径分别设定为0.5μm、1μm和1.5μm,将流动腔的入口平均流速依次设置为16.62 mm/s、33.24 mm/s和49.86 mm/s,分别对每一个几何模型进行三次计算,最终计算结果显示,随着入口平均流速的增加,黏着斑上的剪应力也增加,IFF在黏着斑上产生的剪应力随入口流速的增加可能促使黏着斑的形成和增长,这将更有利于细胞的稳定;在同样的入口平均流速下,IFF在细胞长轴两端的黏着斑上产生的剪应力随黏着斑半径的增加而减小,在细胞短轴两端的黏着斑上产生的剪应力相对稳定,随黏着斑半径的增加并没有明显变化。(5)数值模拟探究细胞取向对IFF在黏着斑上产生的应力的影响细胞长轴平行于流体流动方向的情况下,建立黏着斑半径分别为0.5μm、1μm和1.5μm的三个几何模型,在流动腔的入口平均流速为16.62 mm/s的情况下,数值模拟计算得到三个模型中IFF在黏着斑上产生的剪应力变化趋势是一致的,都表现为在细胞长轴两端的黏着斑上受到最大的剪应力,在细胞短轴两端的黏着斑上受到最小的剪应力。这样的规律和实验中所观察到的成骨细胞在流体剪切刺激下倾向于沿流体流动的方向重新取向的结论相吻合,细胞长轴平行于流体流动方向的排列可能是细胞处于一种最稳定的状态。综上所述,本文基于流动腔内成骨细胞通过具有一定大小和高度的黏着斑连接在基底上,构建了细胞-基底之间存在间隙空间的几何模型。数值模拟计算得到CFF在细胞上表面产生的应力分布情况、细胞-基底IFF对细胞底面的作用,同时还探究了入口流速、黏着斑半径和细胞取向对IFF的影响及其在黏着斑上的应力分布情况。本论文在数值模拟流动腔内的流体剪切刺激对细胞产生的机械应力的相关研究中加入了细胞-基底IFF,这为探究成骨细胞响应流体流动刺激的细胞机制提供了新思路和一定的理论指导。