项目名称： （微）重力影响细胞生命活动的力学-生物学耦合规律研究

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1、项目名称：（微）重力影响细胞生命活动的力学-生物学耦合规律研究首席科学家：龙勉中国科学院力学研究所起止年限：2010.9至2015.9依托部门：中国科学院二、预期目标总体目标：面向“载人航天与探月工程”的国家重大需求，在（微）重力影响细胞生命活动领域开拓力学-生物学耦合的新研究方向，并力争在细胞感知和响应规律、细胞间相互作用、组织发生和重建等方面提出新概念、新思想和新方法；建立可在空间生命科学领域前沿开展高水平研究、数值模拟、物理实验和生物学验证相结合的系统平台；凝聚一支具有国际影响，整合力学、物理、生物学与航天科学与工程等学科的交叉研究团队；在前述三个基本科学问题上取得突破性进展并发

2、表重要科学论文；团队成员能够经常性地在国际权威学术会议上做重要学术报告，并在相关领域的国际权威学术组织和刊物编委中任职；最终为在我国空间实验室与空间站上开展科学目标明确的空间生命科学研究奠定科学基础，并为未来深空探测做好科学储备。五年预期目标:1）提出新概念、发现新规律：开展细胞感知和响应规律、细胞间相互作用、组织发生和重建等方面研究，提出动物细胞感知（微）重力以及植物细胞响应（微）重力的新概念和新假说，发现新的内在规律或机制。2）建立力学-生物学耦合系统平台：建立数值模拟、物理实验和生物学验证等平台，预期研制2-4台（套）地基模拟微重力效应的新仪器（设备）；提出空间硬件装置基本框架和

3、主要参数，预期解决2-3种关键技术、研制2-4种关键部件。3）发表科学论文：预期在国际主流学术杂志上发表论文80-90篇，其中IF>3或TOP15%的50-60篇，IF>10的10-15篇。4）申报科技专利：注重科学研究、定量方法和关键技术中新概念、新方法和新技术的形成和积累，预期申请发明专利10-15项。5）促进人才培养：注重有志于微重力科学和空间生命科学交叉研究的青年人才和研究生培养。培养优秀青年科研骨干10-20名，研究生/博士后90-110名。三、研究方案1、学术思路：本项目学术思路立足于国家重大需求和重大基础科学问题相结合，强调航天科学与空间生命科学的交叉与融合，力求在研究内

4、容设计、课题组织、研究方案制定等方面体现科学研究的前沿性和国家需求的牵引性。项目将以“（微）重力影响细胞生命活动”为主题，以“（微）重力下细胞力学-生物学耦合规律”为主线，开展（微）重力下细胞力学-生物学耦合过程的模型化研究、（动物、植物）细胞对（微）重力的感知、传导、响应规律、（微）重力影响细胞间相互作用的定量规律、（微）重力影响组织发生和重建的基础研究等相关研究，力争在科学研究方面有创新性突破的同时，积极推动相关的新概念、新方法、新技术和新装置研究，加强实验平台与验证体系建设，为未来空间实验任务提供科学储备和技术保障，并促进高新技术的地面应用与产业化。本项目采取数值模拟、物理实验和

5、生物学验证相结合的技术路线，以人类样品、模式动物（大/小鼠）、模式植物（拟南芥）为研究对象、采用典型的细胞模型（骨系细胞、免疫细胞、干细胞、植物细胞），围绕地球生物如何感知（微）重力信号及其信号的转导、地球生物如何适应（微）重力环境、从生命科学与生物技术视角如何利用（微）重力环境资源等三个基本科学问题，开展（微）重力影响细胞生命活动的力学-生物学耦合规律交叉研究，注重新思想和新观点的形成，以及新概念、新方法和新手段的储备。2、技术途径：本项目瞄准（微）重力影响细胞生命活动中的关键科学问题，采用典型细胞及其与基质材料的复合物，结合实验研究与理论模拟、定性与定量手段，开展重力改变下细胞力学

6、-生物学耦合的交叉研究，强调利用数值模拟、力学分析、定量测量等前沿研究手段与先进生物学手段的结合。其总体构思如下图所示：具体技术途径概述如下：1）模型化研究：物质输运过程：基于流固耦合理论建立模型骨材料内流体输运过程的物理力学模型，通过理论分析和有限元计算析等数值方法研究不同粘性简单流体及复杂流体在复杂多孔结构中的输运特性及规律。模型结构材料制备：利用胶体晶体模板复型技术制备模型结构材料，研究孔道中流体的输运行为、矿化结晶特点，以及力学作用下一维或二维生物特征孔道中流体的输运行为、对生物矿化影响；制备类生物骨的多尺度微孔三维支架材料，研究三维支架材料内部流体输运特征。回转或旋转微重力模

7、拟：针对回转器、旋转壁式生物反应器、旋转式生物反应器、平行或旋转流动式生物反应器开展内部流场流体力学分析，提出合理的几何、流体动力参数和可控的实验模式（转速、回转半径、流速等）。磁悬浮微重力模拟：基于电磁理论建立磁场与细胞（或组织）相互作用的物理力学模型，通过理论分析和数值模拟方法研究磁场分布和极化效应，提出合理的几何、磁场参数和可控的实验模式（磁场强度、梯度等）。细胞力学模型：建立基于细胞结构（细胞膜（壁）、细胞骨架、细胞微粒、细胞核等）的物