骨重建的生物力学机理及其在骨相关疾病诊治中的应用

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。

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。