骨重建的生物力学机理及其在骨相关疾病诊治中的应用

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基本信息

项目摘要

骨重建理论是解释、回答骨生长发育、指导骨疾病治疗与康复的重要理论。目前还没有人从力学生物学的角度系统地解释骨重建的生物力学机理。本课题从细胞和分子水平研究成骨细胞、破骨细胞、骨细胞的相互作用,探索力学作用下各种细胞的增殖、分化、凋亡、蛋白质组学等力学生物学的响应规律;利用组织工程技术研究骨重建的生物力学机理,借助计算力学的手段,从表观层次和细观层次研究骨重建过程中力学和生物学因素的耦联关系,分别建立力学和生物学因素耦联的骨重建过程计算模型,模拟预测松质骨结构的骨重建过程;通过动物骨重建的生物力学模型,为体外三维培养的人工骨组织、骨重建机理的计算机模拟与仿真提供实验数据,探索力学载荷对抗骨质疏松及其在骨折愈合过程中对骨重建的影响。从力学生物学、计算力学、动物实验三个层面研究骨重建的生物力学机理,验证、补充、创新骨重建的理论,探讨骨重建理论在骨相关疾病及其诊治中的应用。

结项摘要

本课题在骨组织/细胞力学生物学、计算生物力学和动物模型实验三方面展开研究,探讨了骨重建的生物力学机理,以及骨相关疾病防治的生物力学工程方法。从骨组织力学生物学方法学研究入手,研发了骨组织灌注式三维培养生物反应器,建立了载荷作用下Micro-CT扫描、Minics三维重建、ANASYS有限元计算确定三维支架材料内部细胞受到应变作用强度、力学刺激对成骨细胞、破骨细胞及其共培养体系的研究方法。2500με力学载荷通过线粒体细胞色素C途径抑制破骨细胞的凋亡,并且可显著抑制成骨细胞-破骨细胞共培养体系中破骨细胞的分化和骨吸收功能;拉伸应变分别通过整合素介导的ERK磷酸化途径和Wnt途径影响成骨细胞的增殖和分化,以及通过BMPs/Smad信号通路促进成骨细胞的分化。.  表观应变1200με、2800με可促进三维支架中培养的成骨细胞的增殖,促进成骨分化,高载荷(7000με)则抑制之;表观应变1000με可促进离体兔骨组织骨形成,力学性能提高。表观应变3000με可促进细胞凋亡,抑制骨形成;表观应变2500με可促进在体骨质疏松小鼠尺骨的骨形成,改善骨小梁结构,提高其力学性能,并对抗雌激素缺乏所致骨丢失。发现生理载荷和玉米赤霉醇的联合作用,可更好地促进或维持成骨细胞的成骨分化状态。. 建立了力学-生物学因素耦联的定量骨重建过程计算模型,提出了松质骨在不同力学环境和激素水平下功能适应性的统一模型; 建立了基于CT影像的股骨近端动态非线性有限元模型,实现了对股骨近端骨折载荷和位置的预测;通过非线性有限元分析预测股骨强度,及其与BMD、材料分布和几何形态的关系,研究了股骨近端骨折患者的股骨头内部松质骨显微形态结构及力学性能;另外建立了基于Micro-CT影像的大鼠骨质疏松模型的股骨皮质骨力学性能评价方法。. 高频低载振动能够促进动物模型骨质形成,提高骨组织成骨相关蛋白表达量,改善骨的生物力学性能,可有效对抗骨质疏松和骨丢失,间歇振动优于持续振动,其中间歇振动7天为最佳间歇周期;人体临床实验研究表明振动可对抗骨质疏松。

项目成果

期刊论文数量(55)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(10)
专利数量(0)
Mechanical strain promotes osteoblast ECM formation and improves its osteoinductive potential.
机械应变促进成骨细胞 ECM 形成并提高其骨诱导潜力
  • DOI:
    10.1186/1475-925x-11-80
  • 发表时间:
    2012-10-25
  • 期刊:
    Biomedical engineering online
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Guo Y;Zhang CQ;Zeng QC;Li RX;Liu L;Hao QX;Shi CH;Zhang XZ;Yan YX
  • 通讯作者:
    Yan YX
Mechanical properties of hyaluronic acid modifying chitosan/collagen/nano-hydroxyapatite composite scaffold and its effect on osteoblast proliferation
透明质酸修饰壳聚糖/胶原/纳米羟基磷灰石复合支架的力学性能及其对成骨细胞增殖的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张西正
  • 通讯作者:
    张西正
基底拉伸应变对小鼠三种骨组织细胞BMP-2 mRNA表达的影响.
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中国老年学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张西正
  • 通讯作者:
    张西正
Three-dimensional dynamic culture of pre-osteoblasts seeded in HA-CS/Col/nHAP composite scaffolds and treated with a-ZAL
接种于 HA-CS/Col/nHAP 复合支架并经 a-ZAL 处理的前成骨细胞的三维动态培养
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Acta Biochim Biophys Sin
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张西正
  • 通讯作者:
    张西正
闭合复位 DHS 螺旋刀片内固定治疗股骨颈骨折
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中国老年学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    朱东
  • 通讯作者:
    朱东

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其他文献

BMP/PLGA缓释微球的制备与体外释放性能
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    功能材料
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  • 作者:
    李志宏;武继民;汪鹏飞;陈学忠;黄姝杰;关静;张西正
  • 通讯作者:
    张西正
基于转录组测序分析微重力环境下 MC3T3⁃E1 成骨细胞 miRNA/ mRNA 表达谱及功能变化
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    医用生物力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    韩标;郭勇;韦淑萍;张西正
  • 通讯作者:
    张西正
交变拉伸应变及压应力对大鼠成骨细胞FOS蛋白表达及细胞定位的影响
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  • 期刊:
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  • 作者:
    张西正;郭勇;赵云山;武继民;李瑞欣
  • 通讯作者:
    李瑞欣
救援机器人的研究现状与发展趋势
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
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  • 作者:
    陈炜;侍才洪;邢凯;张西正
  • 通讯作者:
    张西正
快速成型方法制备组织工程支架的研究与应用
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    张建明;张西正;李瑞欣;任婷婷;李昊;王贺燕;郝庆新;万宗明;李建宇;刘璐
  • 通讯作者:
    刘璐

其他文献

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张西正的其他基金

极端力学环境下骨组织损伤、适应与重建的力学生物学机理研究
  • 批准号:
    11432016
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
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  • 项目类别:
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微重力下CKIP-1调节骨代谢和成骨分化的力学生物学机理研究
  • 批准号:
    31370942
  • 批准年份:
    2013
  • 资助金额:
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骨组织工程化构建中力学作用与骨细胞网络形成耦联关系的研究
  • 批准号:
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  • 批准年份:
    2004
  • 资助金额:
    24.0 万元
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    面上项目
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  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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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

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          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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