生物活性形状记忆人工骨及其预防骨不连的力学生物学机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31370946
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1001.生物力学与生物流变学
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Nonunion is a common syndrome during the therapy process of bone fracture and defects. Current studies for nonunion are mainly focused on the clinical therapies after nonunion has been formed; however, for prevention of nonunion, there is no effective technology. This project provides an innovative idea to prevent nonunion by using bioactive shape memory bone (BASM bone), with a final goal to establish a novel nonunion-preventive technology. It has been proven that unstable fixation, gap between the implanted bone and native bone, and stress-shielding are primary factors resulting in nonunion in addition to insufficient blood supply. Our hypothesis is that BASM bone may eliminate these factors or attenuate their effects and thus prevent nonunion. The principle is that BASM bone can axially expand in response to temperature (i.e. body temperature), fully filling the gap, and exerting an axial compressive stress on the native bone to weaken stress-shielding and stabilize BASM bone. To test our hypothesis, a novel shape memory polymer with enhanced cell adhesion activity and mechanical properties is designed and compounded with hydroxyapatite (HAp) to form BASM bone; then an in vitro bone defect model based on a cantilever-beam tensometer is constructed and the shape recovery stress and local stress distribution of BASM bone are characterized; the obtained data together with the results from cellular experiments and animal tests are integrated to evaluate the nonunion-prevention potential of BASM bone and understand the possible mechanobiological mechanisms underlying the nonunion-prevention. The success of this project will develop an innovative approach and technology to prevent non-union and facilitate the application of biomaterials and biomechanics in bone repair and regeneration.
骨不连是骨修复常见并发症,相关研究主要集中在骨不连形成后的治疗上,尚缺乏预防骨不连的有效技术。本项目拟开展基于生物活性形状记忆人工骨(BASM骨)预防骨不连的基础研究,以期研发出一种防骨不连的新技术。固定不稳定、骨折间隙和应力遮挡是诱发骨不连的三大因素。本课题假设:BASM骨可以消除或削弱这些诱因,从而防止骨不连。其原理是:BASM骨在热刺激下发生形状回复,轴向膨胀而完全填充间隙,并对本体骨施加轴向压力,稳定人工骨,削弱应力遮挡。为验证此假设,拟设计一种具促细胞粘附活性的形状记忆聚合物,与羟基磷灰石HAp复合形成BASM骨;构建基于悬臂梁式张力计的体外骨缺损模型,定量表征BASM骨回复应力和应力分布,并结合细胞实验和动物试验评价BASM骨预防骨不连的能力,解析其防骨不连的力学生物学机制。本课题的成功实施将提供一条预防骨不连的新思路,对促进生物材料、生物力学在骨修复与再生中的应用有重要意义。

结项摘要

骨不连是骨修复常见并发症,目前尚缺乏预防骨不连的有效技术。本项目旨在设计制备一种基于形状记忆聚氨酯的生物活性形状记忆人工骨(BASM骨)并建立一种基于BASM骨预防骨不连的新技术。本项目首先设计制备了一种侧链带-COOH的反应性形状记忆聚氨酯,并共价引入RGDS多肽制得了具有促细胞粘附活性的SMP-PU-RGD。但由于其力学性能欠佳,本项目进一步设计合成了一种基于刚性环状异山梨醇(ISO)的高力学性能聚氨酯材料(ISO-PUs),并与具有骨传导活性的β-磷酸三钙(β-TCP)复合,采用3D plotting技术构建了ISO-PUs/β-TCP多孔复合支架,即BASM骨。该BASM骨的孔隙率大于70%,具有与天然骨相似的大孔(400 ~600 μm)套小孔(约15 μm)的多级孔隙结构,其压缩强度和模量明显优于ISO-PU支架和PDLLA支架,且能显著促进成骨细胞向支架孔隙内部长入、增殖和分化。为了体外评价BASM骨预防骨不连形成的潜力,我们成功设计加工了一套基于悬臂梁张力计的体外骨缺损模型和形状回复力定量检测装置。研究发现,BASM骨在形状回复时可以完全填充自体骨与BASM骨间的间隙并对自体骨施加回复应力,且回复应力大小和回复速率与材料赋形时的变形方式和变形率密切相关,证明BASM骨可以消除或缓解引起骨不连形成的固定不稳定、骨折间隙和应力遮挡因素,有预防骨不连的潜力。动物实验结果也证实BASM骨能够有效防止骨不连的发生。同时,我们还创新性地发现:形状回复应变作为一种力学刺激,也可调控细胞形态并促进细胞后期增殖,提示回复应变是预防骨不连形成的另一重要机制。据此,我们提出了BASM骨预防骨不连的力学生物学机制:BASM骨在热刺激下形状回复所产生的回复应力和回复应变可分别对自体骨和BASM骨细胞施加力学刺激,促进细胞生长和成骨分化,防止骨不连;BASM骨自身的骨传导活性和仿生骨组织结构可进一步促进新骨长入和骨组织再生,预防骨不连。本研究的成功实施不仅提供了一种可以预防骨不连的新型BASM骨支架,而且为临床预防骨不连形成提供了一条全新的思路。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(4)
专利数量(6)
基于DMBA反应活性形状记忆聚氨酯的制备与表征
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    功能材料
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    雷国娇;罗彦凤;王锦峰;王远亮
  • 通讯作者:
    王远亮
Vital role of hydroxyapatite particle shape in regulating the porosity and mechanical properties of the sintered scaffolds
羟基磷灰石颗粒形状在调节烧结支架的孔隙率和机械性能中的重要作用
  • DOI:
    10.1016/j.jmst.2017.01.008
  • 发表时间:
    2017-01
  • 期刊:
    Journal of Materials Science & Technology
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Wu Jinchuan;Ruan Changshun;Ma Yufei;Wang Yuanliang;Luo Yanfeng
  • 通讯作者:
    Luo Yanfeng
Surface chemistry regulates the sensitivity and tolerability of osteoblasts to various magnitudes of fluid shear stress
表面化学调节成骨细胞对不同大小的流体剪切应力的敏感性和耐受性
  • DOI:
    10.1002/jbm.a.35848
  • 发表时间:
    2016-12-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS RESEARCH PART A
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Li, Yan;Wang, Jinfeng;Luo, Yanfeng
  • 通讯作者:
    Luo, Yanfeng
Adsorption Force of Fibronectin on Various Surface Chemistries and Its Vital Role in Osteoblast Adhesion
纤连蛋白对各种表面化学物质的吸附力及其在成骨细胞粘附中的重要作用。
  • DOI:
    10.1021/bm501873g
  • 发表时间:
    2015-03-01
  • 期刊:
    BIOMACROMOLECULES
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Lin, Manping;Wang, Huaiyu;Luo, Yanfeng
  • 通讯作者:
    Luo, Yanfeng
Key role of collagen fibers orientation in casing-meat adhesion
胶原纤维取向在肠衣-肉粘附中的关键作用
  • DOI:
    10.1016/j.foodres.2016.08.035
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Food Research International
  • 影响因子:
    8.1
  • 作者:
    Yang Shuang;Wang Jinfeng;Wang Yuanliang;Luo Yanfeng
  • 通讯作者:
    Luo Yanfeng

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其他文献

新型改性聚乳酸与成骨细胞相容性
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    苏爱华;王远亮;罗彦凤
  • 通讯作者:
    罗彦凤
气相色谱分析方法在聚丙交酯合成
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    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
    高分子材料科学与工程. 23(4). 170-173,2007.07 (EI收录- EI 073510790259)
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    --
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  • 通讯作者:
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    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 作者:
    霍润兰;罗彦凤;李岩;严维维;邢娟;林福春;王远亮;HUO Run-lan LUO Yan-feng LI Yan YAN Wei-wei XING J
  • 通讯作者:
    HUO Run-lan LUO Yan-feng LI Yan YAN Wei-wei XING J
羟基封端脲基嘧啶酮及其接枝线性聚氨酯的合成与表征
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    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
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    李振龙;任玮;高汉阳;蒋弟勇;王远亮;罗彦凤
  • 通讯作者:
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叶酸-聚乙二醇-聚乳酸纳米粒子的稀释稳定性和对乳腺癌细胞的靶向选择性研究
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2012
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王素军;罗彦凤;张寅星;张茂兰;王远亮
  • 通讯作者:
    王远亮

其他文献

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蛋白-材料界面力及其对力传递和力生物学效应的调控作用
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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