骨重建的生物力學機理及其在骨相關疾病診治中的套用

《骨重建的生物力學機理及其在骨相關疾病診治中的套用》是依託中國人民解放軍軍事科學院軍事醫學研究院，由張西正擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：骨重建的生物力學機理及其在骨相關疾病診治中的套用
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：張西正
• 依託單位：中國人民解放軍軍事科學院軍事醫學研究院

中文摘要

骨重建理論是解釋、回答骨生長發育、指導骨疾病治療與康復的重要理論。目前還沒有人從力學生物學的角度系統地解釋骨重建的生物力學機理。本課題從細胞和分子水平研究成骨細胞、破骨細胞、骨細胞的相互作用，探索力學作用下各種細胞的增殖、分化、凋亡、蛋白質組學等力學生物學的回響規律；利用組織工程技術研究骨重建的生物力學機理，藉助計算力學的手段，從表觀層次和細觀層次研究骨重建過程中力學和生物學因素的耦聯關係，分別建立力學和生物學因素耦聯的骨重建過程計算模型，模擬預測松質骨結構的骨重建過程；通過動物骨重建的生物力學模型，為體外三維培養的人工骨組織、骨重建機理的計算機模擬與仿真提供實驗數據，探索力學載荷對抗骨質疏鬆及其在骨折癒合過程中對骨重建的影響。從力學生物學、計算力學、動物實驗三個層面研究骨重建的生物力學機理，驗證、補充、創新骨重建的理論，探討骨重建理論在骨相關疾病及其診治中的套用。

結題摘要

本課題在骨組織/細胞力學生物學、計算生物力學和動物模型實驗三方面展開研究，探討了骨重建的生物力學機理，以及骨相關疾病防治的生物力學工程方法。從骨組織力學生物學方法學研究入手，研發了骨組織灌注式三維培養生物反應器，建立了載荷作用下Micro-CT掃描、Minics三維重建、ANASYS有限元計算確定三維支架材料內部細胞受到應變作用強度、力學刺激對成骨細胞、破骨細胞及其共培養體系的研究方法。2500με力學載荷通過線粒體細胞色素C途徑抑制破骨細胞的凋亡，並且可顯著抑制成骨細胞-破骨細胞共培養體系中破骨細胞的分化和骨吸收功能；拉伸應變分別通過整合素介導的ERK磷酸化途徑和Wnt途徑影響成骨細胞的增殖和分化，以及通過BMPs/Smad信號通路促進成骨細胞的分化。 　　表觀應變1200με、2800με可促進三維支架中培養的成骨細胞的增殖，促進成骨分化，高載荷（7000με）則抑制之；表觀應變1000με可促進離體兔骨組織骨形成，力學性能提高。表觀應變3000με可促進細胞凋亡，抑制骨形成；表觀應變2500με可促進在體骨質疏鬆小鼠尺骨的骨形成，改善骨小梁結構，提高其力學性能，並對抗雌激素缺乏所致骨丟失。發現生理載荷和玉米赤霉醇的聯合作用，可更好地促進或維持成骨細胞的成骨分化狀態。建立了力學-生物學因素耦聯的定量骨重建過程計算模型，提出了松質骨在不同力學環境和激素水平下功能適應性的統一模型； 建立了基於CT影像的股骨近端動態非線性有限元模型，實現了對股骨近端骨折載荷和位置的預測；通過非線性有限元分析預測股骨強度，及其與BMD、材料分布和幾何形態的關係，研究了股骨近端骨折患者的股骨頭內部松質骨顯微形態結構及力學性能；另外建立了基於Micro-CT影像的大鼠骨質疏鬆模型的股骨皮質骨力學性能評價方法。高頻低載振動能夠促進動物模型骨質形成，提高骨組織成骨相關蛋白表達量，改善骨的生物力學性能，可有效對抗骨質疏鬆和骨丟失，間歇振動優於持續振動，其中間歇振動7天為最佳間歇周期；人體臨床實驗研究表明振動可對抗骨質疏鬆。