CAREER: Structures and Properties of Bone at Multiple Length Scales

职业:多种长度尺度下骨骼的结构和特性

基本信息

  • 批准号:
    2144614
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 55.26万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2026-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This award is funded in whole or in part under the American Rescue Plan Act of 2021 (Public Law 117-2).Non-technical Summary:Bone is a typical mineralized biological tissue that exhibits superior mechanical properties. It is strong, tough, yet lightweight, which can be attributed to its hierarchical structures, i.e. structures at multiple length scales. However, the structures in bone at the sub-micron and nano-scales are still not well understood. In this project, the PI proposes to study the relationship between the structure and property of bone across multiple length scales, particularly in the sub-micron and nano-scales. A deeper understanding of bone can provide insights to fracture prediction and benefit the aging population and people with bone disorders. 10.2 million American people aged 50 and over have osteoporosis, which may lead to an increased risk of fracture. The new knowledge about bone will also provide inspirations for the design of more robust manmade materials, enable the advancement in biomedical materials, be extended to the research of other natural biocomposites, and significantly impact the broad range of applications in transportation, buildings, defense, biomedicine, and energy. The education and outreach activities in this project will build a pipeline to include more people from underrepresented groups, especially females, into STEM fields.Technical Summary:Fundamental understandings of bone can shed light on the challenges of developing synthetic materials that are both strong and tough through a combination of mechanisms across multiple length scales. The research objective of this proposal is to determine the composition-structure-property relationships in bone, at multiple length scales using integrated experiments and models. The central hypothesis is that the bulk properties of bone (strength, toughness, adaptation) are related to the composition, structure, and properties in its microscale structures (cement line and sub-lamellae) and nanoscale ultrastructure (mineralized collagen fibril (MCF) and extrafibrillar matrix (EFM)). The PI will first develop correlative microscopy techniques to characterize composition, structure, and properties for ultrastructure and microstructure of bone. Then in cortical bone and trabecular bone, the composition-structure-property across multiple length scales will be determined, respectively. Finally, the peri-implant bone adaptation will be investigated in terms of its extrinsic morphology and intrinsic properties. The education and outreach objective is to broaden participation from underrepresented groups, especially females, in STEM through education and outreach activities on bone. The PI is partnering with a local science museum in summer camps and after-school programs for K-12 students, especially girls, to learn about bone. Also, undergraduate and graduate students will be educated and trained on interdisciplinary (materials and medicine) bone research. The PI will also create more online video series of females in STEM workforce.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该奖项的全部或部分资金根据《2021 年美国救援计划法案》(公法 117-2)提供。 非技术摘要:骨骼是一种典型的矿化生物组织,具有卓越的机械性能。它坚固、坚韧但重量轻,这可以归因于它的分层结构,即多个长度尺度的结构。然而,人们对骨中亚微米和纳米尺度的结构仍知之甚少。在该项目中,课题负责人建议研究多个长度尺度上的骨骼结构和特性之间的关系,特别是在亚微米和纳米尺度上。对骨骼的更深入了解可以为骨折预测提供见解,并使老龄化人口和患有骨骼疾病的人受益。 1020万50岁及以上的美国人患有骨质疏松症,这可能会导致骨折风险增加。关于骨骼的新知识还将为设计更坚固的人造材料提供灵感,促进生物医学材料的进步,扩展到其他天然生物复合材料的研究,并对交通、建筑、国防、生物医学、能源。该项目中的教育和外展活动将建立一个渠道,让更多来自弱势群体的人,尤其是女性,进入 STEM 领域。技术摘要:对骨骼的基本了解可以揭示开发既坚固又坚韧的合成材料的挑战通过跨多个长度尺度的机制组合。该提案的研究目标是利用综合实验和模型在多个长度尺度上确定骨骼中的成分-结构-特性关系。中心假设是骨的整体特性(强度、韧性、适应性)与其微观结构(骨水泥线和亚片层)和纳米级超微结构(矿化胶原纤维(MCF)和纤维外基质(EFM))。 PI 将首先开发相关显微技术来表征骨超微结构和微观结构的成分、结构和特性。然后,在皮质骨和小梁骨中,将分别确定跨多个长度尺度的成分-结构-特性。最后,将根据其外在形态和内在特性来研究种植体周围骨的适应。教育和推广目标是通过骨骼教育和推广活动扩大代表性不足的群体(尤其是女性)对 STEM 的参与。 PI 正在与当地一家科学博物馆合作,为 K-12 学生(尤其是女孩)举办夏令营和课外活动,以了解骨骼。此外,本科生和研究生将接受跨学科(材料和医学)骨骼研究的教育和培训。 PI 还将制作更多关于 STEM 劳动力中女性的在线视频系列。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Atomic force microscopy (AFM) and its applications to bone-related research
原子力显微镜(AFM)及其在骨相关研究中的应用
Numerical Simulation of Mechanically Adaptive Bone Remodeling Around Teeth and Implants: A Comparison with Clinical Images
牙齿和种植体周围机械自适应骨重塑的数值模拟:与临床图像的比较
  • DOI:
    10.1007/s11837-022-05533-4
  • 发表时间:
    2022-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Su, Kangning;Gao, Chengyao;Qiu, Guoxian;Yuan, Li;Yang, Jie;Du, Jing
  • 通讯作者:
    Du, Jing
Interactions between Biomaterials and Biological Tissues and Cells, Part I
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2022-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Du, Jing;Katti, Dinesh;Thomas, Vinoy
  • 通讯作者:
    Thomas, Vinoy
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