● 摘要
太空微重力环境中航天员会出现骨丢失、肌肉萎缩、心血管系统失调等问题，这些问题严重影响他们的身体健康，如何将空间失重环境对航天员的不利影响降低到最小程度，以保障他们空间飞行期间的健康及有效工作，是航天生物医学领域面临的巨大挑战。全身振动虽然可以对抗肌骨系统退化，但全身振动在实际应用中还存在一些弊端。基于课题组前期关于空间运动模式转变的假设，及振动联合运动训练能够提高训练效果的研究。为了提高微重力环境中训练对抗骨丢失的效果；本研究采用局部振动耦合被动运动模式对抗失重性骨丢失，以期解决运动训练效果不佳的问题。这也有助于改善废用等原因所致的下肢骨丢失等问题。本论文主要工作如下：
模拟微重力对大鼠关节软骨的影响
为了了解模拟微重力对关节软骨的影响，便于探索骨丢失及对抗机制，利用micro-CT及组织形态学的方法，对尾吊大鼠关节软骨形态学进行检测。SD大鼠分成两组：对照组（CON）及尾吊组（TS）。21天后利用离子造影剂增强micro-CT扫描软骨图像效果与组织切片检测软骨的变化。结果显示：micro-CT测得TS组大鼠软骨厚度及体积均较CON组明显下降，TS组软骨的衰减系数较CON组明显增加。组织切片甲苯胺蓝及番红O-固绿染色结果均表明TS组软骨厚度较CON组明显下降，TS组基质染色程度较CON组下降。micro-CT结果中TS组衰减系数增加及组织切片软骨基质染色程度下降，均暗示软骨中粘多糖的含量下降。以上结果表明尾吊导致大鼠关节软骨退化。此外，micro-CT所测得软骨厚度与组织形态学所测得厚度显著相关，表明利用micro-CT方法所测软骨形态学结果是真实可靠的。
三种频率的局部振动对抗模拟失重尾吊大鼠骨丢失的效果
为了提高微重力下对抗下肢骨丢失的效果，我们首先研究施加在大鼠后肢的三种频率局部振动（35Hz，45Hz，55Hz）对抗尾吊引起的骨丢失的效果。将SD大鼠随机分成五组：对照组（CON）；尾吊组（TS）；尾吊+35Hz振动训练组（TSV35）；尾吊+45Hz振动训练组（TSV45）；尾吊+55Hz振动训练组（TSV55）。在实验结束后进行micro-CT活体扫描以检测BMD及骨的微观结构。股骨及跟腱生物力学性能利用力学实验机进行测量。此外，还对骨灰分、比目鱼肌收缩功能及湿重进行检测。结果显示35Hz与45Hz局部振动能够明显对抗尾吊引起的BMD下降（与TS组比，TSV35组增加48.11 %, TSV45增加31.09 %），明显改善股骨及胫骨微观结构。此外，35Hz振动可以显著提高股骨生物力学性能（与TS组比，TSV35组的弯曲刚度与弹性模量分别提高57.24 %与41.66 %）；35Hz振动组跟腱的最大载荷与弹性模量较尾吊组分别提高45.46 %与66.67 %。肌肉形态及收缩功能显示三种局部振动均可以有效阻止肌肉萎缩。此外，股骨的弹性模量不仅与松质骨的BMD还与微观结构参数（BV/TV，Tb.N，Tb.Th 及SMI）密切相关。结果表明，局部振动可用于对抗微重力导致的肌肉骨骼系统的退化。综上所述，35Hz的对抗肌骨系统退化的效果优于45Hz与55Hz。
35Hz局部振动耦合被动运动对抗模拟失重尾吊大鼠骨丢失的效果
对比研究35Hz局部振动、被动运动及35Hz振动耦合被动运动训练对抗模拟失重所致大鼠骨丢失的效果。雌性SD大鼠随机分成五组：对照组（CON）、尾吊组（TS）、尾吊+被动运动组（TSP）、尾吊+35Hz振动组（TSV）、尾吊+被动+35Hz振动组（TSPV）。结果显示：TS组股骨及胫骨松质骨的BMD较CON、TSV及TSPV组显著下降；TSV及TSPV组股骨及胫骨的微观结构参数较TS组明显改善；TSPV组股骨与胫骨的微观结构参数（BV/TV、BS/BV及Tb.Sp）较TSP组明显改善；TSV组除胫骨中的BV/TV较TSPV组显著下降外，其他与股骨类似。对于股骨与胫骨的大部分力学参数而言，TSV及TSPV组均较TS组显著提高。提示局部振动与局部振动耦合被动运动均可减缓模拟失重所致的大鼠股骨及胫骨骨量及生物力学性能的下降，其中局部振动耦合被动运动训练对抗胫骨松质骨丢失效果明显好于局部振动。对于骨液流，与TS组相比CON及TSPV组的骨陷窝数及液流面积均较明显增加，提示局部振动及局部振动耦合被动运动均可以较好的改善骨液流。TSV及TSPV组还可以明显阻止尾吊引起的软骨厚度及体积的下降，提示两种训练方式可以对抗关节软骨退化。在提高跟腱力学性能与防止肌肉萎缩方面，局部振动及局部振动耦合被动运动好于被动运动。研究结果表明，35Hz局部振动耦合被动运动对抗尾吊引起的肌肉骨骼系统退化的效果最好。提示局部振动耦合被动运动训练可以为提高空间对抗效果提供新的思路。