骨单元到骨细胞尺度的多孔弹性力学信号传导

发布时间：2020-05-26 02:01

【摘要】：人体通常处于复杂的受力环境中,当外载荷的力学信号传递到骨组织的微观结构尺度时,骨组织内的液体产生流动并渗流扩散至其微观结构层次(骨单元-骨陷窝-骨小管系统),并进一步产生一系列的物理效应刺激细胞响应并做出破骨、成骨等反应,进而来引起组织结构改变,最终使得骨以最优结构适应外部的力学环境。这是体内环境中的载荷信号传递及骨重建的机理,但这一机理的科学量化通路还不是很清楚,特别是骨细胞参与下的力学生物学机制还不是很明确。本文基于多孔弹性理论构建骨组织内液体流动刺激信号的跨尺度传导模型,研究其内部流体刺激信号的细-微观传导机制,进一步探索在宏观荷载作用下骨组织内微观结构“感受”到力学信号的大小。本文在细微观尺度下,基于多孔弹性理论依次构建了二维骨单元-骨细胞系统切片模型(包括骨陷窝、骨细胞和骨小管等微观结构)、三维骨单元-骨细胞系统模型(包括均质化的骨陷窝和骨细胞等结构)、三维单个骨陷窝-骨细胞-骨小管模型以及二维真实的骨细胞模型等4种不同的骨单元到骨细胞尺度模型。结果表明,不同位置相同的功能单元基本都能感受到相同大小的外界刺激。相比于骨细胞胞体,骨陷窝和骨小管来说,骨细胞突触“感受”力学信号的能力最强。可以说,骨细胞突触是骨组织细微观尺度下的最优“力学感受器”。细微观尺度下,椭圆形骨细胞的力传导能力要强于圆形骨细胞。水平方向排列的骨细胞受到的力学刺激比竖直骨细胞更敏感。随着骨细胞弹性模量的增加,传递到骨细胞表面的力学信号也逐渐增大。但骨细胞和骨基质渗透率的变化,并不影响骨细胞周围的应力和应变,仅对骨细胞表面的压力梯度产生明显的影响。相比于理想化的模型,真实的细胞模型能够更合理的解释某区域压力流速突变的现象。骨细胞感受到的应力及应变大小与荷载同步,但骨细胞内部的孔隙压力和流速有明显的迟滞效应,并不与荷载同步,或许可以解释骨的力电效应中电压滞后于载荷的现象。
【图文】：

在这个过程中这些物理信售的传导被fI细胞感如并做出反应，，使破骨逡逑细胞去除损伤骨，成骨细胞在此位置上生成新骨从而完成骨重建过程，最终调逡逑整组织结构得以适应外部环境，如图１－２所示＆爆管骨超微结构下的液体＇流动信逡逑号通路还不蠢很清楚＊但液体流动在：骨重建过程中起到了至关重要的作用＊因此，逡逑研宄受载洁

本文编号：2681097