综述：机械刺激对再生医学中骨细胞的影响：近期实验与计算方法的回顾

这篇综述系统梳理了机械生物学（Mechanobiology）在骨再生领域的最新进展，重点探讨了机械刺激（如压缩力、流体剪切力、超声LIPUS和声悬浮技术）通过调控间充质干细胞（MSCs）分化、骨稳态平衡（涉及成骨细胞/破骨细胞/骨细胞）促进骨修复的机制，并整合多尺度计算模型（如基于代理模型ABM和连续介质模型）解析实验结果，为骨再生医学提供跨学科研究范式。

　　

引言
骨组织是动态响应机械力的典型范例，其再生过程高度依赖机械生物学（Mechanobiology）机制。间充质干细胞（MSCs）和骨细胞通过感知微环境中的力学信号（如应变ε、剪切应力τ）调控骨形成与吸收的平衡。骨质疏松等疾病破坏这种平衡后，再生医学通过生物材料支架、干细胞疗法和机械刺激等手段试图重建骨功能。

实验方法与细胞响应
细胞培养模型
传统2D培养难以模拟骨的三维（3D）微环境，而3D培养体系（如水凝胶、微载体）能更好保留MSCs干性。研究显示，胶原基质中嵌入的MSCs在动态压缩（5Hz）下碱性磷酸酶（ALP）活性提升2倍，表明机械力直接驱动成骨分化。

机械刺激类型

• 低频机械力：生物反应器施加的周期性压缩（1-5Hz）通过激活Yes相关蛋白（YAP）信号促进骨矿化。
• 流体剪切力：脉冲流体（2Hz, 10kPa）刺激骨细胞树突，诱发ATP释放和胶原合成，模拟体内骨小管（lacuno-canalicular system）的力学微环境。
• 高频超声：低强度脉冲超声（LIPUS, 1.5MHz, 30-60mW/cm²
  ）通过非热效应上调Runx2和骨钙素（OCN）表达，加速骨折愈合。
• 声悬浮技术：2MHz声场可在无接触条件下组装细胞聚集体，形成血管化骨样组织，且避免传统支架的免疫排斥。

计算模型整合
多尺度仿真
有限元分析（FEM）量化了支架孔隙率对局部应变分布的影响，而计算流体力学（CFD）模拟显示骨小管内流体速度峰值达50μm/s时，骨细胞树突承受的剪切应力（~1Pa）足以触发力学信号转导。

细胞行为预测
基于代理模型（ABM）模拟单个MSCs在声悬浮节点处的聚集过程，而连续介质模型成功预测了LIPUS作用下骨修复的时空动态，两者互补揭示机械刺激的剂量效应（如频率>2Hz时成骨响应增强）。

临床转化挑战
尽管LIPUS已用于临床骨折治疗（证据等级Ⅱa），但声悬浮技术的规模化生产仍是瓶颈。计算模型指出，优化声场参数（如340kHz-2.12MHz频段）可减少细胞漂移，未来需联合活体实验验证其长期安全性。

未来方向
突破性进展可能来自：① 开发可模拟骨各向异性的4D生物打印支架；② 建立机械刺激-表观遗传调控的定量关系；③ 通过数字孪生（Digital Twin）技术个性化预测患者骨再生结局。