2.1  实验动物数量分析  实验过程中未发生实验动物死亡情况，30只均进入结果分析。

2.2  体质量结果  由图2可以看出，对照组大鼠体质量随时间推移大幅度增长，在实验第4周时对照组体质量与高G组产生明显差异。实验组在实验第1周体质量差距不明显，但随着时间推移，20 G组体质量均值明显低于其他实验组，并远远低于对照组。由体质量均值折线图分析，对照组体质量均值最大，4 G、8 G、10 G组体质量均值相差不大，20 G组体质量均值明显小于其他组。由此证明长期高G环境暴露会对大鼠正常生长产生一定影响。20 G组抑制大鼠体质量增长效果最为明显。

2.3  宏观力学试验结果

2.3.1  三点弯曲实验  由三点弯曲实验的应力应变曲线及计算结果可知，大鼠胫骨极限挠度随G值增大有下降趋势。统计分析显示，对照组与实验组差异有显著性意义(P < 0.05)，4 G、8 G组间差异无显著性意义(P > 0.05)，10 G、20 G组与其他组差异均有显著性意义。对比对照组，4 G组、8 G组、10 G组和20 G组极限挠度分别下降了8.1%，12.2%，37.8%，51.4%，见图3。

在弹性模量方面，弹性模量随之呈现增大的趋势。统计分析显示，对照组与20 G组差异有显著性意义(P < 0.05)，其他实验组均与20 G组差异也有显著性意义(P < 0.05)，但其他各组组间比较差异无显著性意义(P > 0.05)。对比对照组，4 G组、8 G组、10 G组和20 G组弹性模量分别上升了3.1%，4.5%，9.1%，30.8%，见图4。

极限载荷方面，4 G组极限载荷有所降低，但8 G组极限载荷与对照组接近，10 G、20 G组极限载荷下降明显。统计分析显示，对照组与实验组差异有显著性意义(P < 0.05)，10 G、20 G组与各组比较差异均有显著性意义(P < 0.05)，其他组间比较差异无显著性意义(P > 0.05)。对比对照组，4 G组、8 G组、10 G组和20 G组极限载荷分别下降了16%，9%，25.2%，29%，见图5。实验结果表明，高G环境会影响胫骨的力学性能，主要表现在随G值增加降低了胫骨挠度和极限载荷，增加了胫骨弹性模量。

2.3.2  蠕变实验  在恒定加载率0.1 MPa/s下，对试样加载，直至应力值为30 MPa时保持3 600 s，讨论高G环境对胫骨蠕变行为的影响。图6，7分别显示了胫骨的蠕变应变和蠕变柔量的变化。相对对照组最终蠕变应变和最终蠕变柔量。统计分析，对照组与实验组比较差异有显著性意义(P < 0.05)，10 G、20 G组与各组间差异有显著性意义(P < 0.05)，其他组间比较差异无显著性意义(P > 0.05)。4 G组、8 G组、10 G组和20 G组，最终蠕变应变和最终蠕变柔量分别下降了10.1%、15.3%、42%、52.3%。随着G的不断增加，胫骨的蠕变应变和蠕变柔量逐渐减小。其中10 G组、20 G组下降明显，说明10 G、20 G环境对胫骨力学性能产生更大影响。高G环境影响了骨骼的力学性能，增强了胫骨的脆性，降低了韧性，提高了发生骨折的概率。

随着中国航天事业的发展，越来越多的航天员与舰载机驾驶员受到高G环境作用。大量研究表明，高G环境下，航天员面临着肌肉、骨骼、器官和组织的结构功能损伤^[1]。骨骼作为支持人体生命的重要部分，国内外对高G环境下骨骼研究较少。在微重力环境作用下，航天员骨质以每月1%-2%的速率丢失，最严重者可达到20%的骨质丢失^[2]。高G环境作用下，有研究者对鼠的2.0-3.0 G的暴露研究表明，2.0-3.0 G的暴露可以抑制骨丢失并提高松质骨的骨量，增大骨小梁体积^[3-4]。IKAWA等^[4]认为2.9 G的暴露对骨产生良性作用，可以刺激骨的生长并使骨量增加。AMTMANN等^[5]的研究认为，若使大鼠持续暴露在2.76 G的环境下会抑制大鼠骨骼的生长，并缩短其股骨的平均长度与横截面积。对长期高G环境下骨骼的研究主要集中在2.0-3.0 G，但伴随火箭升空与战斗机起落，飞行员要承受高于5 G的持续载荷。航天员日常训练往往要承受8 G及以上的持续载荷。林俊豪^[6]对高G环境下大鼠股骨力学性能进行了研究，但对于高G下胫骨的力学性能与研究尚不明确。

飞行员在飞行训练或特技飞行等航空活动中会受到数秒至数十秒的持续性加速度，如飞机在高空进行盘旋时通常受到7.5 G持续性加速度影响、特技飞行可达到6 G持续性加速度影响，通常持续性加速度影响时间为20 s，而更为苛刻的航天员载人离心机训练，加速度保持8.0- 9.0 G，持续时间为50 s，并且训练时长为5日制。所以该实验建立高G环境下大鼠的动物模型，采用相似的实验时间用以模拟飞行员日常飞行及训练情况。骨的力学性能是评价动物模型骨量的重要方法，通常测定大鼠骨生物力学指标的实验方法有4种：张拉实验、弯曲实验、压缩实验、扭转实验^[7]。而骨作为一种黏弹性材料，其力学性能会受到所施加载荷和施加时间的影响^[9-14]，当骨的力学环境发生改变，骨吸收和骨形成构成的动态平衡也会改变，随之使骨组织产生变化^[15]。骨是一种复杂的黏弹性材料，通常对黏弹性材料实验的方法有3种：蠕变实验、松弛实验和动力实验。为探究高G环境下胫骨力学性能，此次实验采用三点弯曲实验和蠕变实验^[17-20]，探讨持续高G环境暴露下对大鼠胫骨力学强度及大鼠生长发育的影响。实验所得结果可为改进飞行员日常训练强度和治疗高G环境下产生的骨质问题提供理论基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

1.1  设计  生物力学实验。

1.2  时间及地点  于2018年7月至11月在解放军军事医学科学院系统工程研究院后勤保障研究所完成。

1.3  材料

1.3.1  实验动物  雄性Wistar大鼠30只，SPF级，12周龄，体质量为280-320 g，由解放军军事医学科学院实验动物中心提供，动物生产许可号：SCXK(京)2016-0006，期间在本实验室动物饲养室常规饲养。

1.3.2  实验主要仪器  INSTRON 5865万能力学试验机(Instron公司，美国)。离心机由作者所在课题组自主研制^[21]，见图1。

1.4  实验方法  该实验已由天津理工大学动物伦理委员会批准。

1.4.1  大鼠的饲养  将采购的鼠龄为12周的雄性Wistar大鼠分笼饲养，每笼6只，温度控制在22-25 ℃，相对湿度为40%-60%，自然光照下饲养，自由进食和饮水；定期通风，每周更换1次垫料。

1.4.2  高G动物模型的建立  将健康大鼠随机分为5组，对照组(1 G组)、4 G组、8 G组、10 G组和20 G组，每组6只。将各组大鼠分别置入离心机，通过离心机控制程序设定不同的加速度与旋转速度模拟高G环境(具体参数见表1)，实验选择使大鼠头部向上与旋转轴心平行，竖直放置大鼠的方法。测量大鼠体质量后，将大鼠置入固定箱，并在悬臂另一侧固定箱内放入等质量的配重块，使离心机两端固定箱质量配平。

依照航天员载人离心机训练时间标准，设计相关动物实验。动物实验对照组不参与实验，高G模拟实验每次持续3 min，每周5 d，共加载4周，每周称质量1次。实验结束后处死大鼠，取其两侧胫骨并剔除骨上软组织和腓骨进行宏观力学实验。

1.4.3  三点弯曲实验  将实验试样分为5组(1 G，4 G，8 G，10 G，20 G)，每组6个样本。将大鼠左侧胫骨用37 ℃的生理盐水浸湿。在室温25 ℃下，采用Instron力学试验机(1级精度)对胫骨进行三点弯曲力学性能试验。设置力学传感器上限为500 N，设置跨距为10 mm，选择0.1 N初始预载荷，1 mm/min的加载速度直至压断样本，实验期间用喷壶喷洒37 ℃生理盐水保持样本湿润。

胫骨样本在外力作用折断后，用游标卡尺测量断裂处长、短轴内径外径，用于计算胫骨的惯性矩，弹性模量。通常把骨的截面看做2个同心椭圆。其中b和B分别为胫骨长轴内、外直径，h和H分别为胫骨短轴方向的内、外直径。

惯性矩计算公式为：

弹性模量计算公式为：

其中：I为样本惯性矩，单位为mm⁴；L为跨距，取     20 mm；     是载荷-位移曲线的斜率，单位为N/mm；E为样本的弹性模量，单位为MPa。

1.4.4  蠕变实验  将实验试样分为5组(1 G，4 G，8 G，10 G，20 G)，在室温25 ℃下进行恒定应力下蠕变实验，将大鼠右侧胫骨用37 ℃的生理盐水浸湿，采用Instron力学试验机对胫骨进行蠕变试验。设置力学传感器上限为500 N，设置跨距为10 mm，以恒定加载率0.1 MPa/s，对试样加载至应力值30 MPa(应力值取自不同G下胫骨屈服应力的30%-70%的交集)。蠕变实验采取三点弯曲方式进行，最大载荷为60 N。当应力值达到30 MPa时，保持恒定并开始对实验数据进行采集。计算机程序设定从时间t(0)开始采集数据，每0.1 s采集一个数据。实验期间用喷壶喷洒37 ℃生理盐水保持样本湿润。

1.5  主要观察指标  ①体质量测量：高G造模期间每周对大鼠体质量进行测量；②宏观力学性能测量：对造模后的大鼠进行解剖，取胫骨并去除胫骨上软组织，对胫骨进行三点弯曲实验和蠕变实验，通过计算机处理系统检测胫骨的弹性模量、极限挠度、极限载荷、蠕变应变和蠕变柔量。

1.6  统计学分析  统计学分析采用SPSS 19.0进行重复性分析。文中图表中的数据均为结果平均值，误差带表示数据的标准偏差。对独立实验样本进行检验：检验水准α= 0.05。

随着中国航天事业不断发展，飞机性能日益提升，战斗机飞行员尤其是舰载机飞行员在飞机起落时所承受的G值也越来越高，而高G环境对人体危害巨大。高G环境会使人体血液转移导致脑缺血进而致使视觉发黑和意识丧失并引起记忆功能紊乱和行为变化^[22-23]，同时会对骨细胞产生影响从而改变骨骼力学特性。在高G环境下，成骨细胞对环境刺激敏感，小鼠成骨细胞暴露于3 G环境 72 h，成骨细胞生长速度加快，分裂旺^[24]。成骨细胞暴露在60 G环境下24，48 h后，细胞计数大幅减少^[25]。有研究者发现当把成骨细胞暴露在1.5-2.0 G环境下可刺激细胞的增殖，而将细胞暴露于40-80 G环境下则获得完全相反的结果，即抑制细胞增殖^[26]。同时高G环境会使皮质骨的孔隙率增加，钙含量显著降低^[27]。

只有高G环境下微观方面研究，对于改进飞行员日常训练强度和探究受损骨骼恢复是不够的。胫骨作为最容易发生骨折的骨骼之一，轴向应力、侧方应力或两者混合作用都会导致胫骨骨折，所以探究高G环境下胫骨的宏观力学性能对改进飞行员日常训练强度及后续恢复工作提供了数据参考和理论指导。但实验仍然存在一定局限性，实验只针对胫骨进行了宏观检测，但不同部位骨组织可能对高G环境响应不尽相同，所以不能推断在高G环境下其他部位的骨组织会有与胫骨相同的力学响应特性。实验未进行微观层次检测，所以不能判断出高G环境对骨骼内部的影响。

实验采用课题组自主研造的离心高G加载装置，应用该装置模拟高G力学环境，并建立相关动物模型，通过动物模型探究大鼠胫骨宏观力学变化。而动物模型也成为日后研究高G环境下生物响应机制的有效手段和重要工具。实验检测了不同高G环境下大鼠胫骨的弹性模量、挠度和极限载荷，这些参数可以反映出大鼠胫骨力学性能的变化。结果发现高G环境会降低胫骨的力学性能并且抑制大鼠体质量增长，影响正常的生长发育。但这种规律与G值大小并非呈现线性关系：4 G组、8 G组胫骨挠度略低于对照组，且8 G组极限载荷高于4 G组并接近对照组，但10 G组、  20 G组胫骨挠度与极限载荷远低于对照组。高G环境会影响胫骨力学性能，可能会造成骨质疏松等问题，但8 G环境对胫骨力学性能影响较小。骨作为一种复杂的多功能器官，骨的力学性能会受到众多因素影响如遗传、性别、环境、运动方式等等。骨的自适应机制会根据外部应力环境进行骨量的自我调节，以适应外部力学环境。同时体质量也与骨骼力学性能有着密不可分的联系，体质量的异常均会对骨强度造成影响。现实生活条件下影响骨骼的因素更加复杂，适度的力学环境对骨骼生长起到了良性影响，但极端重力环境对骨的生长起抑制作用，并降低骨强度。以上研究能为飞行员日常训练提供数据指导，同时为后续受损骨骼恢复研究提供数据参考。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

文题释义：

三点弯曲实验：是将样本放在有一定跨距(通常为试样直径的16倍)的2个支撑点上，在2个支撑点中点上方向样本施加向下的载荷，使标本的3个接触点形成相等的2个力矩，样本将在载荷作用下发生弯曲断裂。 三点弯曲实验常用检测样本的弯曲强度及其他力学性能。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程#br#

随着中国航天事业不断发展，飞机性能日益提升，战斗机飞行员尤其是舰载机飞行员在飞机起落时所承受的G值也越来越高，而高G环境对人体危害巨大。高G环境会使人体血液转移导致脑缺血进而致使视觉发黑和意识丧失并引起记忆功能紊乱和行为变化，同时会对骨细胞产生影响从而改变骨骼力学特性。

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