骨单元的多孔介质弹性力学行为及骨的力-电性质研究

Based on the bone remodeling background, this project will propose series biomechanical models to describe the initial processes of bone remodeling, which includes osteon model, bone canaliculated fluid flow and shear stress models, and streaming potential model. The ultimate goal is to link the external loads to the osteonal fluid pressure, velocity, bone canaliculated fluid shear stress and streaming potential, which may have a significant stimulus to the mechanotransduction and electromechanotransduction of bone remodeling signals. Besides, under simulated human physiological loading states (walking and running), the bone's SGP (stress-generalized potentials) will be obtained by the experiments and the results will be compared with theoretical models. This project aims to explore the poroelastic behaviors of osteon and mechano-electrical properties of bone. It will enrich the contents of bone remodeling and provide the theoretical references for clinical applications.

本项目以骨重建过程为背景，应用多孔介质弹性力学原理对骨单元进行理论建模，并对骨单元从受载荷作用到内部骨小管内液体流动，再到产生流体剪应力和流动电位这一过程进行生物力学建模，最终得到外载荷与骨单元内部液体压力、流速、骨小管内液体流动产生的流体剪应力及流动电位的联系公式，最后将通过实验得到骨在模拟受到生理载荷作用(行走、跑步)时所产生的力-电电位，并与理论模型对比。本研究工作将揭示骨内力-电效应产生的机制，丰富骨重建的内容，为应力、电刺激骨生长等临床应用提供理论支持。

骨组织受力变形后其内部液体就会流动，同时在其微观结构——骨单元壁中扩散，并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应，如流体剪切应力、流动电位等，这些物理效应被细胞感知并做出反应，如破骨、成骨等来适应外部载荷环境。鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定，理论模拟是目前的主要研究手段。本项目基于多孔弹性原理建立了骨内液体流动参与下的力及力电传导的生物力学模型，揭示了载荷作用下骨内部液体的流动方式，以及流体剪应力及流动电位的产生机理过程。重要工作如下：.(一)、建立了中空的和考虑哈弗液体的骨单元理论模型，主要结论：(i).与中空骨单元模型相比，考虑哈弗(管)液体存在的骨单元模型中的液体压力场和流速场会明显增大。(ii)真正决定骨单元多孔介质弹性力学行为的是应变率。.(二)、建立了骨小管(~500nm)内的液体流动及产生流体剪应力及流动电位模型，主要结论：(i)骨小管内液体产生的流动电位/流体剪应力随着外部载荷大小(应变幅值)和频率的增加而增大。(ii)影响流动电位/流体剪应力的决定因素是应变率，并且在应变率相同的情况下，含哈弗管液体的骨单元模型中，骨小管产生的流动电位/流体剪应力要大于中空骨单元模型。.(三)、建立了轴向载荷下含微裂缝的骨单元多孔介质弹性力学有限元模型，发现在微裂缝影响骨单元内部压力及流速的分布，而且微裂缝处的流速明显高于无裂缝部位。随后考虑了不同微裂缝大小、形状及方向的影响：（I）等面积的微裂缝下，椭圆微裂缝对骨单元内部液体流动影响较矩形大；(ii).不同方向的微裂缝对骨单元内部液体的压力与流速的影响存在一个影响区域。 .(四)、建立了压缩、弯曲和压弯载荷形式下骨单元多孔介质弹性力学有限元模型，得到结论：(i)轴向载荷作用下压力、流速沿着轴向是均匀分布，而其他两种载荷形式则不均匀。(ii)相同载荷幅值下，轴向载荷产生的压力和流速幅值最大，压弯组合载荷下的次之，弯曲载荷最小。.(五)、对大段牛股骨结构(~cm)进行了人日常活动(行走、跑步)受力状态下的力-电效应实验研究，结论如下：(i)当牛股骨给以人正常行走和跑步状态下的载荷和频率时，跑步状态下产生的电压较行走的大。(ii)行走和跑步过程中产生的电压随载荷和频率的增大而增大。(iii)产生的电位幅值与载荷幅值、频率、应变率密切相关，实验曲线中近似地显示出正比例关系，与理论结果相符。