流体流动剪切应力被认为是骨细胞的机械刺激物。由于无法直接测量，因此骨细胞的共聚焦图像衍生模型是进行计算流体动力学分析以评估骨细胞树突状膜上的流体流动绝对应力的宝贵工具。我们实验室所做的一些工作对应于该领域的最新发展，其中实际的骨细胞腔隙形态，包括树突的弯曲和密度，与骨和腔隙-小管网络一起使用，以便数值确定流体流动剪切应力和骨细胞树突结构中应力高的位置。
当前的技术包括各种计算建模，例如最终元素分析、计算流体动力学、流体结构相互作用、基于图像的建模，包括用于精确 3D 模型的 X 射线或共聚焦显微镜，以及通过机械测试系统通过测量骨骼响应（例如受控负载条件下的应变）来验证模型。我们的研究结果表明，由于衰老或骨骼疾病导致的树突丢失是骨骼对身体活动反应变慢的一个因素。我们预测骨细胞通过高流体流动剪切应力区域（树突）检测机械负荷。
流体流动剪切应力与腔隙形态相关，尤其是表面积。随着该协议的建立，我们现在正在开展一个 NIH 项目，以研究两个不同年龄和性别的小鼠骨骼骨细胞树突中的流体流动剪切应力。这项研究将有助于确定衰老和性别差异如何因负荷而影响骨骼中的机械转导。
首先，将从小鼠收集的股骨固定在磷酸盐缓冲盐水中的 4% 多聚甲醛冷溶液中 24 小时，在 4 摄氏度下轻轻摇晃。第二天，冲洗骨头和磷酸盐缓冲盐水，并将其快速包埋在快速聚合的丙烯酸中。在第三转子上方切下 300 微米的厚横向切片。
使用砂纸将骨切片抛光至 90 至 100 微米的最终厚度。然后用 70%95% 和 100% 乙醇冲洗抛光部分各 5 分钟。将切片在 1%fit C 和 100% 乙醇中在黑暗中染色 4 小时，并适度摇动。
接下来，用 100% 乙醇彻底清洗切片。并将它们风干过夜，然后将它们放入载玻片上的一滴封固剂中。在标本上安装盖玻片。
在共聚焦显微镜上，设置一个 488 纳米的激光器进行激发，并将发射收集窗口设置为 496 至 596 纳米。首先，使用 5 倍物镜捕获整个骨骼切片的低倍图像。然后使用 20 倍物镜捕获三个感兴趣区域的图像。
使用数字变焦为 1.7 倍、步长为 0.126 微米的 100 倍 1.44 数值孔径油物镜收集 400 个 Z 平面的详细 Z 堆栈，像素分辨率为 1024 x 1024 像素，像素分辨率为 0.089 微米。对于小鼠骨细胞的计算机建模，在以 TIFF 格式导入收集的小鼠股骨 Z 堆栈图像后打开 ImageJ 软件，调整部分菜单中的阈值以更改包含在蒙版中的像素强度限制。使用 Crop mask作，裁剪一个空白处，并将其小管作为感兴趣的区域。
将空白包裹在一个边长为 21、14 和 19 微米的假想的更大的立方体中。执行区域增长作以选择连接的像素区域以生成均匀的腔隙-小管网络或 LCN。接下来，使用计算零件作，将腔管掩码转换为对象。
使用平滑作来构建骨细胞和树突状膜，从而减少 LCN 体积。然后导出对象。将 LCN 和骨细胞树突状膜的两个表面合并为一个表面。
现在，使用 remesh作创建腔隙小管空间的体积模型。将模型导出为 STL 文件，并将对象比例调整为微米。在基于三维图像的处理软件中，选择小鼠腔隙-小管空间的体积模型作为基本模型，以构建不同的骨细胞模型。
选择较低的阈值可降低图像的光强度并获得具有较少小管的空白。接下来，开发具有不同腔隙-小管间隙厚度或树突小管直径的骨细胞模型。分别使用包裹或平滑作构建更大或更小的骨细胞模型。
要在模拟软件中创建流体流动，请将开发的基于图像的共聚焦几何图形导入 CFX 软件。将 unit dimensions 设置为 nanometers。接下来，单击 subtract 以获得单个腔隙管间隙。
右键单击生成的 facet 并将其从 facet 转换为实体域，而不合并面。单击网格并选择单元尺寸为 0.06 微米的线性四面体单元。使用网格收敛算例细化网格。
现在，选择表面并选择假想立方体顶部的小管作为流体入口。使用框，选择其他五个面上的小管作为流体出口。然后导出网格。
创建另一个流体流动后，将 Fluent 网格导入到 CFX 的设置部分。使用 Insert boundary 选项，为面定义入口和出口的两个边界条件。分别在入口和出口上施加 300 和 0 帕斯卡的流体入口压力。
将其余表面视为具有防滑条件的墙。从材料库中，将间质层流液视为水。将 Heat transfer、Comcombustion 和 Thermal Radiation 部分设置为 none。
选择 湍流 作为 LCN 中的流体特性。接下来，使用双精度和直接启动作为提交类型运行软件。在 CFD 软件的结果部分插入新的轮廓。
通过选择骨细胞树突状膜上的壁剪切作为结构域的变量，创建流体流动剪切应力或 FFSS 等值线。接下来，从入口开始，在腔隙-小管域内插入速度流线等值线。年轻骨细胞模型中骨细胞和树突状膜的平均 FFSS 为 0.42 帕斯卡，显著高于老年骨细胞模型中的 0.13 帕斯卡。
FFSS 在腔隙小管间隙较大的骨细胞中增加，如模型 7 和模型 8 所示，其中模型 8 显示最高的 FFSS。在模型 2 和模型 4 中观察到最低的 FFSS 值分别为 0.19 Pascal 和 0.13 Pascal，且小管密度最低。如模型 5 和 6 所示，随着枝晶直径的增加，未观察到 FFSS 的显着变化。
