碱性环境对成骨细胞生长刺激作用及骨质疏松性骨再生材料微环境研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51272274
  • 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:
    E0210.无机非金属类生物材料
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2016-12-31

项目摘要

Bone fractures caused by osteoporosis is a common clinical disorders. However, up to now, the development of biomaterials only stay in the concept of bone defect repair. Other than trauma, the treatment of osteoporosis must consider the unbalanced communication between osteoblasts and osteoclasts, in which pH plays the special role. Unfortunatley, no consideration of pH condition has been made in either resitrcting the activity of osteoclasts or enhancing the activity of osteoblasts...As we found, the effect of local pH on bone regeneration has never been properly studied or discussed. However, using a microelectrode, the pH on the surface of implant materials, rather than in the bulk, is measurable so that the biological response based on the local environment can be studied. It was found that the osteoblast viability was significantly enhanced with an increase of pH, to an optimum level at around pH 8-8.5; in contrast, the activity fell markedly below pH 6. The effect of strontium on osteoblast proliferation was further increased at pH ~8, suggesting a possible new approach for enhancing its activity in the treatment of osteoporosis. No stimulation of osteoblast proliferation was found for boron at normal physiological pH but, surprisingly, such an effect was found at pH 8.5. ..As a result, appropriately designed biomaterials, which create such an ideal ambient alkaline environment for bone regeneration, may be crucial aspects for bone substitutes. In this study, we will firstly verify the alkaline condition can be achived with the degradation of material, controlled by osteoblasts; secondly, the degradation rate of hydroxyapatite, borosilicate and calcium silicate can be controlled with the incorporation of strontium, in order to create an ambient alkaline microenviornment for bone regeneration; thirdly, in vivo study by osteoporotic animal model to monitor the degradation behaviour of the implant and track the bone formation ability.
由骨质疏松导致的骨折和骨缺损是临床中常见疾患。然而,迄今为止,骨再生材料的研发仍然停留在骨缺损修复的概念上。与单纯的创伤骨缺损不同,这种由疾病引起的骨缺损,在材料的设计中必须充分考虑到疾病的特点:即如何在抑制破骨细胞活力的同时,能有效提高成骨细胞活力。本项目组发现成骨细胞生存的最佳环境并非在pH 7.4的正常体液环境,而是略高于pH 8的碱性环境。进而发现随着硅酸钙的降解,可在材料表面营造出碱性的微环境。此微环境的存在将直接影响成骨细胞的活力。因此,本课题将首先对体外及体内成骨微环境进行研究,明确碱性微环境可由材料降解诱导成骨细胞调控;其次,以碱金属离子锶来调控羟基磷灰石、硼酸盐玻璃及硅酸盐的降解速率,以期营造出最适宜成骨细胞增殖的材料降解微环境;并在细胞/分子层次上对相关机理进行探讨;最后,通过骨质疏松性大鼠模型,追踪材料在动物体内降解所形成的微环境,为骨质疏松性骨再生机制研究提供新思路

结项摘要

骨质疏松骨缺损的再生过程缓慢,这是由于相对于正常骨再生过程,骨质疏松骨的微环境中成骨和破骨能力严重失衡。因此,与单纯的创伤骨缺损不同,为骨质疏松病人设计的材料必须考虑到疾病的特点进行设计:即通过调节干细胞及破骨细胞的活性,恢复骨折部位的正常骨再生能力,实现对骨折和骨质疏松的双重治疗。过去材料的设计与改性以局部改善细胞活力与分化能力为主,但恰恰忽略了这些细胞赖以生存的微环境pH值。本项目组发现成骨细胞生存的最佳环境并非在 pH 7.4 的正常体液环境,而是略高于 pH 8 的碱性环境。进而发现随着硅酸钙的降解,可在材料表面营造出碱性的微环境。此微环境的存在将直接影响成骨细胞的活力。本课题对由材料引起的体内微环境pH变化及其引起的生物学效应进行了详细讨论,取得相关研究成果如下:1.明确碱性微环境可由材料降解产生,发现骨质疏松大鼠骨髓基质干细胞在pH 7.4左右拥有最佳的增值效率,而在pH 7.8-8.0区间,成骨活性显著升高;同时,体外试验证明,材料表面微环境 pH 的微量改变对破骨细胞分化及活力产生显著的影响。2. 以碱金属离子锶来调控羟基磷灰石、硼酸盐玻璃及硅酸盐的降解速率,制备了一系列掺锶硅酸盐及硼酸盐玻璃/陶瓷材料,并完善了材料体外表面pH值及体内微环境pH值的测量方法。3. 建立了骨质疏松大鼠模型,证明不同的生物材料植入体内产生不同的微环境pH值,微环境pH高的生物材料在修复过程中有更多新骨生成;同时,较高的微环境pH值伴随TRAP阳性类破骨细胞的晚响应,并在修复过程中检测出有过渡矿化层的产生。本课题的顺利实施,为骨植入材料的研究提供了新的思路,证明了营造材料植入初期碱性微环境对局部骨组织再生的重要意义,并引发出对破骨细胞在骨再生过程中之重要意义的前瞻性的思考,为后续更深入的研究提供了保证。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Biodegradable borosilicate bioactive glass scaffolds with a trabecular microstructure for bone repair
用于骨修复的具有小梁微结构的可生物降解硼硅酸盐生物活性玻璃支架
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Materials Science and Engineering: C
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xin Liu;Mohamed N. Rahaman;Wenhai Huang;Haobo Pan
  • 通讯作者:
    Haobo Pan
Effect of thermal treatment on carbonatedhydroxyapatite: Morphology, composition, crystal characteristics and solubility
热处理对碳酸羟基磷灰石的影响:形态、成分、晶体特征和溶解度
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Ceramics International
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Ning Chengyun;Ni Guoxi;Pan Haobo;Darvell Brian W
  • 通讯作者:
    Darvell Brian W
An injectable borate bioactive glass cement for bone repair: Preparation,bioactivity and setting mechanism
用于骨修复的可注射硼酸盐生物活性玻璃水泥:制备、生物活性和凝固机制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Journal of Non-Crystalline Solids
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Nai Zhou;DepingWang;Haobo Pan;Mohamed N. Rahaman
  • 通讯作者:
    Mohamed N. Rahaman
Enhanced osteoporotic bone regeneration by strontium-substituted calcium silicate bioactive ceramics
锶取代硅酸钙生物活性陶瓷增强骨质疏松骨再生
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    Biomaterials
  • 影响因子:
    14
  • 作者:
    Xu; Yuanjin;Lu; William W.;Zhang; Zhiyuan;Chang; Jiang
  • 通讯作者:
    Jiang
A Bone-Implant Interaction Mouse Model for Evaluating Molecular Mechanism ofBiomaterials/Bone Interaction
用于评估生物材料/骨相互作用分子机制的骨-植入物相互作用小鼠模型
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    TISSUE ENGINEERING: Part C
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xiuli Dan;Ting Wang;William W. Lu;Haobo Pan
  • 通讯作者:
    Haobo Pan

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其他文献

Effect of thermal treatment on carbonated hydroxyapatite: morphology, composition, crystal characteristics and solubility
热处理对碳酸羟基磷灰石的影响:形态、成分、晶体特征和溶解度
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Ceramics International
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    BW Darvell
3D打印复合墨水体系在软骨组织工程领域研究进展
  • DOI:
    10.1360/sst-2020-0259
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    阮长顺
壳聚糖基多糖材料防治口腔疾病的作用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    中国组织工程研究
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘海燕;胡阳;武秀萍;潘浩波;荆 璇
  • 通讯作者:
    荆 璇
大动物节段性骨缺损模型的研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    北京生物医学工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈胡贵;覃建国;李理;石展英;潘浩波;李兵;崔旭
  • 通讯作者:
    崔旭
钛合金表面微弧氧化涂层理化性能及表面形貌研究
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中华生物医学工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴穗丹;王焱;宁成云;潘浩波
  • 通讯作者:
    潘浩波

其他文献

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硼硅酸盐生物活性玻璃介导骨再生微环境及其抑制骨肿瘤机制研究
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AI项目解读示例

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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