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摘要随着人类对宇宙太空的不断探索，宇航员出现的骨质疏松等症状也引起人们的重视，而地球上的人类也会因年龄的增长出现类似的症状。我们推测微重力和年龄增长带来的骨结构变化，特别是骨陷窝-骨小管系统结构和传质功能变化，所导致的骨质缺失是出现骨质疏松的重要原因。本文参照真实的骨组织结构，利用绘图软件建立骨陷窝-骨小管系统模型，并导入COMSOL软件中进行有限元计算。对比研究不同重力场对骨陷窝-骨小管系统内部的传质影响规律；对比分析施加循环载荷(1Hz、1.5Hz、2Hz)后，骨陷窝-骨小管系统内部的力学响应情况；模拟出低强度脉冲超声波照射骨陷窝-骨小管系统时的声场和热场分布，并利用粒子追踪模块，模拟骨陷窝-骨小管系统内部的小分子运输情况。具体研究内容如下：<br>　　第一部分为基于真实人体骨组织结构建立骨陷窝-骨小管系统的二维轴对称流固耦合有限元模型。结果表明骨陷窝内的流体压力和流速均随着重力加速度的增大而增大，且组织液从哈弗氏管上端流入，从哈弗氏管下端流出，形成一个回路。此外浅层骨陷窝内的压力和流速最大，中层次之，深层最小，说明深层骨陷窝内的传质最为困难，易造成深层骨细胞的死亡。而骨细胞体积的减小会导致骨陷窝内的流速和压力减小，骨细胞形状影响下的最高流速和压力比最小的分别增加了520％和31.36%；骨细胞角度影响下的最高流速和压力比最小的分别增加了60.14%和12.05%，说明骨细胞的不同形状和方向也会给骨细胞带来不同的力学刺激，影响骨重建过程。而年龄增长带来的骨陷窝空缺会使其他骨细胞表面的流体剪切应力减小，最大可减小33.8%。骨陷窝-骨小管系统内的骨小管交叉会增加骨陷窝-骨小管系统的复杂性，使骨陷窝内的液体压力、流速和骨细胞表面的流体剪切力最大增加了5.65%、24.86%和26.87%。<br>　　第二部分为建立包含人体骨陷窝-骨小管系统的三维轴对称流固耦合有限元模型。结果表明在循环位移载荷下，骨小管内的流体流速、压力和骨细胞表面的流体剪切应力均随频率载荷呈线性增大。在微重力场(0g)下，骨陷窝内的液体分布均匀，而地球重力场(1g)和高G(5g)重力场下，骨陷窝内液体压力梯度明显。对称面施加位移载荷使得各骨陷窝、各骨细胞间的力学性能更接近，而非对称面施加载荷导致各骨陷窝、各骨细胞间力学性能差异较大，且骨小管内的流速比骨陷窝约高2个数量级。骨小管的数量会随着年龄增长而不断减少，这使得骨陷窝-骨小管系统结构退化，仿真结果显示骨陷窝连接的骨小管数量减少，导致骨细胞的力学响应极值和极值差减小，说明骨小管数量较多时，骨细胞能感受到更强烈的力学刺激，促进骨重建。<br>　　第三部分为在骨陷窝-骨小管系统的三维模型上方进行低强度脉冲超声照射。结果表明在释放粒子总数不变的情况下，超声照射使得骨陷窝内粒子总数减少，这间接说明了超声照射加速了骨陷窝-骨小管系统内的物质运输，且骨陷窝内粒子数在超声频率为1-1.5MHz范围内随频率的增大而减小。与超声入射面的距离越近，声场声压越大。距模型顶部5μm处的最大声压，比15μm、25μm处的最大声压高62.14%、168.48%。超声的激励声压越大，模型内部的声压也越大。同时越靠近超声聚焦区域，热场温度等值线越密集。<br>　　微重力环境下，使得骨陷窝-骨小管系统内的传质变慢，骨细胞无法获得足够的营养物质，也感受不到应有的力学刺激，易造成骨细胞死亡，从而引起骨质流失。而年龄增大所带来的骨陷窝空缺、骨小管数量减少等会破坏骨陷窝-骨小管系统的内部结构，同样不利于骨细胞的力学响应。而进行适当的锻炼和超声照射可以改善这种情况。本文通过数值模拟的方式为宇航员和老年人对抗骨质疏松提供理论参考。