骨基质压电性调控下骨细胞整合素与细胞骨架的生物力学响应计算模型研究

本研究针对骨细胞在压电骨基质中的机械信号转导机制尚不明确的问题，通过建立包含Lacuna-Canalicular System（LCS）和整合素、细胞骨架等机械感受器的三维有限元模型，首次系统揭示了压电效应显著增强骨基质应变（69.3 mV电位）、流体速度及机械感受器应力分布差异（细胞突触中整合素β亚基应力高于α亚基），为骨机械适应机制研究提供了多尺度分析框架。

　　

骨骼作为人体重要的力学承载器官，其独特的自我更新能力一直备受关注。在骨组织中，深埋于矿化基质中的骨细胞（osteocyte）被称为"骨骼的机械感受器"，它们通过复杂的网络结构感知外界力学刺激并启动骨重塑过程。近年来研究发现，骨基质中羟基磷灰石和胶原纤维的压电特性（piezoelectricity）能将机械力转化为电信号，但这一现象如何影响骨细胞的机械感受机制仍是未解之谜。更关键的是，骨细胞通过整合素（integrin）、细胞骨架（cytoskeleton）等分子机器感知力学信号的具体过程，尤其在压电环境下的纳米级力学响应特征，尚未得到系统阐释。

针对这一科学难题，中国国家自然科学基金联合资助项目团队在《Journal of Biomechanics》发表创新研究。研究人员采用多尺度有限元建模技术，在COMSOL Multiphysics 5.6中构建了包含压电骨基质、骨陷窝-小管系统（Lacuna-Canalicular System, LCS）及完整机械感受器网络的骨细胞三维模型。该模型创新性地整合了胶原微丘（collagen hillocks）、初级纤毛（primary cilia）等超微结构，并首次实现了对整合素α/β亚基的纳米级力学分析。

有限元模型验证
通过对比实验数据验证模型可靠性：当施加0.01 μm（250 με）三轴位移载荷时，模型计算的骨基质体积应变（-719.26 με）与流体速度（15.795 μm/s）与文献报道高度吻合，初级纤毛最大位移0.233 μm符合生物学观测范围。

关键发现

1. 压电效应增强力学响应：压电骨基质产生的平均表面电位达69.3 mV，使应变值显著高于非压电状态，并改变流体速度变化趋势。
2. 机械感受器应力分布特征：细胞突触中的细胞骨架和整合素承受应力是胞体的1.8倍；微管（microtubule）应力高于肌动蛋白丝（actin filament）；接触胶原微丘的整合素承受最大应力。
3. 纳米级力学解析：单个整合素中，连接细胞骨架的β亚基腿部应力高于接触流体的α亚基头部，且周围细胞骨架密度越低，整合素应力越高3.2倍。
4. 信号放大能力比较：所有机械感受器中，整合素表现出最强的位移信号放大效应（达基准值的4.7倍），显著高于初级纤毛和细胞骨架。

研究意义
该研究首次在压电-流体耦合环境中揭示了骨细胞机械感受器的分级响应机制：压电骨基质作为"力学放大器"增强原始信号→胶原微丘作为"应力集中器"优先激活整合素→细胞骨架网络实现信号传递与放大。这一发现不仅为理解骨适应性重塑的分子机制提供了新视角，其建立的多尺度建模方法更为骨组织工程和骨质疏松治疗靶点筛选提供了重要工具。特别值得注意的是，研究揭示的整合素β亚基力学敏感特性，可能为开发靶向机械信号通路的新型骨代谢药物指明方向。