基于超声共振谱技术的模拟失重尾吊大鼠皮质骨的细观力学特性研究

Bone loss induced by long-term space flight in weightlessness environment may lead to great changes in bone structure and function and seriously affect the health and operational capability of astronauts. It has becoming one of the main obstacles to the development of long-term manned space flight. To explore the change of bone structure and mechanical properties under microgravity conditions plays an important role in the field of aerospace physiology and biomedical engineering. Considering the faster bone mass losing rate in cancellous bone than in cortical bone in microgravity, most researches before mainly focused on cancellous bone and paid less attention to the cortical bone. Nowadays, more studies revealed that microgravity affected more to cortical bone, which showed better potential in the prediction of bone strength and fracture risk. This project proposes to take advantages of resonant ultrasound spectroscopy (RUS) to measure the mesoscale mechanical properties of small size cortical bone samples from tail-suspended rats in different suspend period, and tries to clarify the change rule of mechanical properties of cortical bone under simulated microgravity conditions. Combining with the measurements of microstructure parameters (such as haversian systems distribution, porosity, pore area and so on) and mineralization degree of cortical bone, the quantitative relationships will be built among the tail suspension time of rats, micro-structure parameters, mineralization degree and elasticity coefficients of cortical bone in mesoscales.This study means a great deal to the understanding of bone loss in weightlessness environment, the evaluation of bone quality, the prediction of the fracture risk and the proposal of related countermeasures.

长期太空飞行引起的失重性骨丢失会导致骨结构和功能变化，严重影响航天员的健康，是长期载人航天发展道路上的主要障碍，探索微重力对骨结构与力学特性的影响是航天生理与医学工程领域重要研究内容。由于微重力条件下松质骨骨量的丢失比皮质骨快，因此国内外大部分工作以松质骨为对象，集中于宏观力学特性的研究，对皮质骨关注较少。近年的观测结果显示微重力对皮质骨的影响更大，皮质骨在骨强度和骨折风险预测中起更重要的作用。本课题基于共振超声谱分析技术，通过对不同时期尾吊大鼠皮质骨小尺寸样本细观力学特性的测量，拟阐明模拟微重力条件下皮质骨力学特性的变化规律，同时结合对皮质骨哈弗氏系统分布、孔隙度、孔隙区域面积与矿化程度的测量，分析并建立大鼠尾吊时间、皮质骨微结构参数、骨矿化程度与细观尺度骨弹性系数之间的定量关系。本课题对于失重性骨丢失的理解、骨质量评价和对抗措施的提出，以及材料细观尺度力学特性的研究都有重要意义。

生物力学参数的准确测量对于骨组织的韧性机理的认识和骨丢失对抗措施的制定都具有重要意义。本项目在超声共振谱测量方法和骨力学特性研究方面开展了深入工作，通过改进基于超声共振谱的力学测量方法，研究了微重力条件下皮质骨力学特性及其变化规律，结合组织形态测量和组化分析，探索了皮质骨微结构参数、矿化程度与弹性系数之间的相关关系。项目整体进展良好，达到了研究目标，取得了一定成果。. 在理论上，项目改进并完善了基于超声共振方法的生物硬组织和生物材料弹性常数测试方法，获得了更精确的测量结果；通过基于Micro-CT的组织图像重建与测量技术和基于有限元的固有频率计算，突破了RUS测量方法在非规则材料样本方面的应用限制；有效提高了算法的计算效率和低Q值材料力学参数估计的可靠性，克服了计算过程对于弹性常数初始值设定的敏感性，拓展了在高阻尼材料测量方面的应用；对于皮质骨组织弹性系数与粘性系数的有效提取，进一步阐明了组织力学特性和组织成分结构之间的关系；探索并进一步明确了微重力引起的骨质疏松皮质骨力学特性的变化规律。. 项目研究中构建的的实验系统，不但在测量速度、测量准确性等性能有所提升，而且拓展了可测试材料的范围，以此结果为基础提出的新型测试设备的研发工作也正在进行之中，项目的研究成果为生物组织材料的力学测量和更深入理解其力学特性提供了更多依据。. 项目研究过程中，在国内外著名期刊和国际会议共发表科研论文19篇，其中SCI论文8篇、核心期刊论文4篇、会议论文7篇。项目共培养博士研究生6名，毕业3名，硕士研究生2名，毕业1名，先后有约20人次分别赴韩国、美国、法国、英国、香港等地参加了学术交流活动或国际学术会议。