微重力或废用情况下的骨重建失衡会导致骨质疏松症,尽管人们早已认识到骨骼会改变其结构以适应外力刺激,但其组织和细胞水平的机制仍不清楚,因此发展骨骼组织水平和细胞水平的体外力学加载实验装置并检测细胞感受力学刺激分子的表达对于阐明重建过程的力学传导机制具有重要意义。本文设计研发了空间骨组织人工重力加载与灌流培养实验装置。为了在空间微重力环境下研究重力场强度对骨组织块代谢的影响,并考虑骨组织块生长代谢的基本需求和实现生物力学加载功能,此实验装置具有如下功能:采用蠕动泵对骨组织块进行连续灌流培养以保证营养物质的充足供给和代谢废物的及时排出,同时对骨组织块进行流体剪应力刺激;采用使骨组织块做定轴圆周运动以施加向心力的方法模拟人工重力;设计电刷与滑环两个零件解决了对工作中蠕动泵的动态供电问题。最终此装置可实现对骨组织块进行人工重力和流体剪应力的同时加载。另外,本文基于此前的数值计算结果加工和改进了锥板流动腔实验装置,并通过生物实验验证了其实用性和可行性。针对小鼠来源的间充质干细胞MSC、成骨样细胞MC3T3-E1、骨细胞前体细胞MLO-A5和骨细胞MLO-Y4等四种细胞,利用此实验装置研究了流体剪应力对细胞内Piezo1表达的影响。对上述四种细胞分别施加不同强度的流体剪应力,并在不同时间点应用实时荧光定量聚合酶链式反应技术研究Piezo1在m RNA水平上的表达情况。研究结果显示,四种细胞内均表达Piezo1和Piezo2。流体剪应力刺激后,四种细胞的Piezo1表达呈现先升高后降低的趋势,MSC、MC3T3-E1和MLO-A5等三种细胞在流体剪应力连续刺激1 h时,Piezo1表达水平达到峰值,MLO-Y4在0.5 h时达到峰值,并且1.1 Pa流体剪应力刺激下的表达水平显著高于0.1 Pa。Piezo1表达依赖于细胞种类,其中在MC3T3-E1细胞的表达量高于其它三种细胞。本文研发的新型空间骨组织人工重力加载与灌流培养实验装置可为体外研究重力场强度对骨组织块代谢的影响提供实验装置支持,并且细胞流体剪应力加载实验结果显示Piezo1的表达与成骨分化过程、流体剪应力加载强度和加载时间相关,对于揭示骨组织细胞内力学信号的传导机制具有重要意义。