生物医学工程学院生物力学研究团队在国际期刊《Bone》发表高水平研究论文，该文章第一作者系生物医学工程学院于纬伦博士，通信作者为生物医学工程学院杨晓航教授，文章构建了多尺度骨骼流体模型，揭示了不同位置骨细胞受力差异。

研究背景

骨骼是一种具有复杂层级结构的生物复合材料，能够根据外部载荷环境调整自身结构。骨细胞感知机械刺激的主要途径是骨组织内的液体流动，尤其是由骨基质变形和骨髓腔压力（IMP） 驱动的间质液流动所产生的孔隙压力和流体剪切应力。然而，由于骨骼结构的多尺度特性，不同区域的骨细胞所受到的流体刺激尚不明确。

研究方法

本研究构建了一个多尺度多孔弹性有限元模型，涵盖三个尺度：宏观尺度：整体骨组织（胫骨段）宏观-细观尺度：骨膜、间质骨、骨单位、内膜微观尺度：骨陷窝-小管网络（LCN）及骨细胞模型结合了周期性边界条件和子模型技术，模拟了在生理载荷和骨髓腔压力作用下的液体流动行为，计算了不同区域的孔隙压力、流速和流体剪切应力。

研究结果

骨髓腔压力（IMP） 显著影响哈佛系统的孔隙压力，但对流速影响较小。骨细胞位置不同，所受流体刺激差异显著：靠近哈佛管的骨细胞受到更高的流体剪切应力。LCN渗透率在10−21m2 到10−18m2范围内时，靠近骨膜和内膜的骨单位内压力、流速和剪切应力显著不同于其他区域。陷窝内的流速显著高于小管，而孔隙压力和剪切应力则显著低于小管。弯曲载荷会导致骨骼不同区域流体流动方向性差异，进一步影响骨细胞的力学环境。

图1. 骨骼组织的多尺度示意图。(a) 整体胫骨；(b) (a)中的一个截面；(c) 骨间质-骨单位群组；(d) 骨单位；

图10. 弯曲载荷作用下峰值孔隙压力与流体流速的分布。

(a) 宏观模型的压力分布；(b) 宏观-细观尺度模型的流体流速分布；

(c) 宏观模型的压力分布；(d) 宏观-细观尺度模型的流体流速分布。

研究结论

本研究通过多尺度建模揭示了：骨细胞在骨组织中的空间位置决定了其所受的流体力学刺激；骨髓腔压力和骨组织渗透率是影响骨内液体流动的关键因素；模型结果与已有实验和理论研究一致，为理解骨力传导机制提供了新视角。

临床意义

为骨质疏松等骨疾病的病理机制提供力学解释；对骨植入材料和人工骨支架的设计具有指导意义，尤其是孔隙结构设计；有助于开发针对骨代谢疾病的力学干预策略，如通过调控骨髓腔压力或局部载荷方式促进骨修复。

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