微重力环境致腰椎疾患的生物力学机制及对抗措施的实验及仿真研究

Under microgravity environment or even normal gravity, astronauts are more likely have low back pain and/or lumbar disc herniation due to swelling of the intervertebral disc. However, the time factor and the initial degeneration of the disc, and the mechanical effects of various interventional loads on the intervertebral disc remain unclear. This affects the planning of the treatment and rehabilitation process. .In this project, the key scientific issue to be solved is: How to reduce the risk of low back pain and/or lumbar disc herniation in long-term microgravity environment and restoration of gravity by posture or load control? .We will use porcine lumbar vertebral movement unit for in vitro experiments, simulate the process of imbibition swelling in the microgravity environment with physiological saline bath and under different loading condtions. We will also use finite element method to analyze the changes in disc morphology and mechanical properties..The project will systematically study the mechanical effects of short-term and long-term micro-gravity environment on healthy and degenerative intervertebral discs; and the mechanical effects of sleeping posture and countered physiological load in different periods of time on intervertebral disc under microgravity environment and normal gravity environment.This project will provide a theoretical basis for the astronauts to formulate measures to resist the micro-gravity environment, and also serve as a reference for the formulation of lumbar health measures for long-term bed-ridden people.

在微重力环境下及恢复重力后，宇航员因椎间盘吸水膨胀易出现腰痛/腰椎间盘突出症。然而，时间因素、椎间盘初始退变情况在其中的作用，以及不同干预性载荷对椎间盘的力学效应不明，影响治疗和康复方案的制定。本项目针对拟解决的关键科学问题“如何通过姿势或载荷的控制，减小长期微重力环境下及恢复重力后腰痛/腰椎间盘突出症的风险？” .项目将利用猪腰椎运动单元进行离体实验，通过生理盐水水浴模拟微重力环境椎间盘吸水膨胀的过程，加载不同的载荷，结合有限元分析，研究椎间盘形态结构和力学性能的改变。项目将系统研究：①短期、长期微重力环境对健康及退变椎间盘的力学效应；②微重力环境下屈曲睡姿、不同时间的对抗性生理载荷对椎间盘的力学效应；③重力环境下不同姿势、时间的恢复性生理载荷对椎间盘的力学效应。本项目研究结果将为宇航员对抗微重力环境的措施制定，提供理论依据，同时对于长期卧床人群维护腰椎健康措施的制定，起到借鉴作用。

在微重力环境下及恢复重力后，宇航员因椎间盘吸水膨胀易出现腰痛/腰椎间盘突出症。然而，时间因素、椎间盘初始退变情况在其中的作用，以及不同干预性载荷对椎间盘的力学效应不明，影响治疗和康复方案的制定。因此，本项目拟解决的关键科学问题是“如何通过姿势或载荷的控制，减小长期微重力环境下及恢复重力后腰痛/腰椎间盘突出症的风险？”.本项目利用动物腰椎运动单元进行离体实验，通过生理盐水水浴模拟微重力环境椎间盘吸水膨胀的过程，加载不同的载荷，结合有限元分析，研究椎间盘形态结构和力学性能的改变。项目系统研究了：腰椎间盘在微重力环境及重力环境吸水膨胀力学效应；腰椎间盘微重力环境不同对抗性干预载荷力学效应；腰椎间盘长期吸水膨胀后不同恢复性干预载荷力学效应；微重力及重力环境不同干预对人腰椎间盘的生物力学效应。.通过离体实验研究，我们发现：随着浸泡时间的增加，椎间盘横截面积会略微增加，腰椎高度会出现先快增后增长速度缓慢的规律，不管何种加载方式都会导致腰椎高度下降，同时横截面积会有些许的增加。在400mm/min和40mm/min两种加载方式都会让腰椎关节损伤，损伤方式以终板断裂居多。同时发现，对于正常组和退变组，相同加载时间下，200N/400N两种加载方式对椎间盘的力学影响并没有太明显的差异，而在相同压缩载荷下，加载时间越长会使腰椎关节的吸胀现象更明显。腰椎关节退变的严重程度与其的吸胀能力成反比，退变越严重，吸胀能力越弱。.通过人体腰椎建模仿真研究，我们发现：穿企鹅服和胎位睡眠可以缓解微重力环境带来的负面影响。穿着企鹅服和胎位睡眠相结合，可能比单一的干预策略更能有效地降低孔隙压力、轴向应力、径向位移和含水量。当宇航员返回重力环境时，每天保持直立姿势4小时，可能有助于安全挤出椎间盘内的水分。.以上研究结果将为宇航员对抗微重力环境的措施制定，提供理论依据，同时对于长期卧床人群维护腰椎健康措施的制定，起到借鉴作用。

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