微重力骨骼再生培養是通過模擬微重力環境，結合三維培養體系，促進成骨細胞、間充質干細胞（MSCs）等形成類體內骨組織三維結構并提升成骨功能的前沿技術，核心優勢是還原體內骨微環境、增強礦化與分化效率，在骨組織工程、骨質疏松研究及藥物篩選中價值突出。以下從原理、核心優勢、關鍵技術、應用方向及挑戰與方案展開說明。

核心原理與機制

1. 重力抵消與微環境構建：通過旋轉離心（如 RWV 生物反應器、隨機定位儀 RPM）抵消重力定向作用，使細胞處于低剪切力（低至 0.01Pa）、低機械接觸的懸浮狀態，減少平面黏附干擾，自發形成三維類球體結構，重現體內細胞極性、物質擴散梯度與力學信號傳導。

1. 細胞行為調控：微重力通過影響細胞骨架重排、Wnt/β-catenin、RUNX2 等成骨關鍵通路，促進 MSCs 向成骨細胞定向分化，提升堿性磷酸酶活性、礦化結節形成效率與膠原分泌，同時抑制成纖維細胞過度增殖，減少纖維化干擾。

1. 信號傳導優化：降低重力依賴的機械應力，增強細胞間旁分泌與間隙連接，提升組織構建的功能協同性，更接近體內骨再生的生理過程。

核心優勢（vs 傳統二維培養）

關鍵技術與實現方式

1. 模擬設備

• 回轉式培養系統：如北京科譽興業 TDCCS-3D、NASA RWV，通過水平 / 垂直軸旋轉抵消重力，控制剪切力與懸浮狀態，適合成骨細胞與 MSCs 三維培養。

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• 隨機定位儀（RPM）：多軸隨機旋轉，消除重力定向效應，用于研究重力對細胞骨架、基因表達的獨立影響。

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• 空間實驗平臺：空間站、拋物線飛行等真實微重力環境，用于機制驗證與研究（如 NASA MABL 系列實驗）。

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2. 培養體系優化

• 無支架 / 支架結合：無支架培養減少材料干擾，細胞自主組裝；結合羥基磷灰石等生物支架可構建承重骨替代物。

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• 培養基與共培養：化學定義培養基（CDM）替代血清，維持長期培養穩定性；MSCs 與成骨細胞 / 內皮細胞共培養，促進血管化與骨整合。

核心應用方向

1. 骨組織工程與修復：微重力培養的成骨細胞 / 干細胞復合支架，礦化效率更高，可用于顱骨、關節等骨缺損修復，構建 “體外組織庫"。

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3. 骨質疏松與骨流失研究：模擬宇航員失重性骨丟失，解析 IL-6 信號通路、成骨 / 破骨平衡機制，為抗骨流失藥物（如 Sclerostin 抗體）篩選提供精準模型

1. 藥物研發與機制解析：三維模型更接近體內生理，用于成骨促進劑、骨吸收抑制劑的藥效與毒性評估，提升臨床轉化成功率。

1. 航天醫學：為長期太空駐留提供骨組織修復材料，同時研究重力缺失對骨代謝的影響，優化宇航員骨健康防護策略。

   
   

微重力骨骼再生培養以其高生理相關性與功能優勢，成為連接基礎研究與臨床轉化的關鍵技術。北京科譽興業 TDCCS-3D 等設備的國產化落地，推動該技術從太空實驗室走向科研機構與藥企，加速骨再生醫學與抗骨質疏松藥物研發進程。