骨组织细胞与软骨细胞响应力电微环境的力学生物学研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

陈维毅

项目受资助机构

太原理工大学

项目编号

11632013

立项年度

2016

立项时间

未公开

研究期限

未知 / 未知

项目级别

国家级

受资助金额

320.00万元

学科

数学物理科学-生物力学-多尺度力学生物学

学科代码

A-A10-A1002

基金类别

重点项目

关键词

力学微环境 ; 建模分析 ; 细胞—基质相互作用 ; 力学生物学响应 ; 力信号转导 ; mechanobiology response ; mechanotransduction ; cell-ECM interaction ; mechanical microenvironment ; model analysis

参与者

安美文;陈松;武晓刚;王楷群;黄棣;张全有;高志鹏;王艳芹

参与机构

太原理工大学

项目标书摘要:骨和软骨组织是人体重要的承载和运动器官。骨与软骨的再生和修复的研究对于临床上治疗骨损伤有着重要意义。骨与软骨的愈合和再生与所处微环境(如力、电、基质力学性质及拓扑结构等)紧密相关,但有关力电刺激影响骨组织细胞和软骨细胞生长的机理及刺激参数的优化、细胞与基质的相互作用等有待进一步研究。本项目基于二维电活性基底膜表面/三维电活性多孔基质材料,拟从不同维度开展骨组织细胞和软骨细胞对力电刺激响应的力学生物学研究;定量描述在力学微环境发生变化过程中,BK和TRPV4两类重要的力敏感离子通道协同调控软骨细胞感受基质微力学环境的分子机制;建立不同力电刺激下多孔基质材料内部微液流场模型,揭示力电耦合刺激对于骨组织生长的调控作用。项目将深入认识骨组织细胞和软骨细胞对力电微环境的响应机制,优化细胞—基质相互作用,为诱导相关细胞向预期功能发展提供参考,最终为骨与关节再生修复以及组织工程设计提供理论基础。

Application Abstract: Bone and cartilage are main complex tissues of human body for load bearing and motion.Regeneration and repair of bone and cartilage play crucial roles in clinical treatment of bone trauma.Microenvironments(e.g.electrical and mechanical stimulation,mechanical properties and topology of extracellular matrix)have significant effect on remodeling of bone and cartilage.However,the influence of mechanical and electrical stimulation on cells of bone and cartilage tissues remains challenging,and interaction between the cell and extracellular matrix are needed to further studied.In this project,main researches are shown in three respects.First,cellular mechanobiology of cells of bone and cartilage tissue responding to electrical and mechanical stimulation are probed from different scales based on electrical active matrix material;Second,a detailed work is developed for the quantification of the molecular profile that reflect how two important mechanosensitive ion channel,including BK and TRPV4,regulate the response of chondrocytes to changes in matrix mechanical microenvironment;Third,microfluid model of porous matrix material is developed to probe the regulation of combined mechanical and electrical stimulation on bone growth.This project facilitates to further understanding of response mechanism of cells of bone and cartilage to mechanical and electrical microenvironment,and optimizing interaction between cell and matrix,providing a solid ground for further investigation of induced targeted cellular function and a theoretical support of regeneration and of bone and joint and the design of tissue engineering.

项目受资助省

山西省

项目结题报告(全文)

骨和软骨组织是人体重要的承载和运动器官。骨与软骨的再生和修复的研究对于临床上治疗骨损伤有着重要意义。骨与软骨的愈合和再生与所处微环境(如力、电、基质力学性质及拓扑结构等)紧密相关,但有关力电刺激影响骨组织细胞和软骨细胞生长的机理及刺激参数的优化、细胞与基质的相互作用等有待进一步研究。本项目构建了三维电活性多孔基质材料,设计研制了多通道电刺激器,为不同维度开展骨组织细胞和软骨细胞对力电刺激响应的力学生物学研究提供了技术支撑;定量描述了在力学微环境发生变化过程中,PIEZOs和TRPV4两类重要的力敏感离子通道协同调控软骨细胞感受基质微力学环境的分子机制;建立了不同力电刺激下多孔基质材料内部微液流场模型,揭示了力电耦合刺激对于骨组织生长的调控作用。项目将深入认识骨组织细胞和软骨细胞对力电微环境的响应机制,优化细胞—基质相互作用,为诱导相关细胞向预期功能发展提供参考,最终为骨与关节再生修复以及组织工程设计提供理论基础。

  • 排序方式:
  • 2
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  • 1.眼眶悬挂组织阻力和刚度的在体实验研究

    • 郭红梅;高志鹏;韩宝雁;张丽军;汤兆强;陈维毅
    • 《第十二届全国生物力学学术会议暨第十四届全国生物流变学学术会议》
    • 中国陕西西安
    • 会议

    <正>目的眼外肌手术量的准确性是斜视手术成功的关键,仅中国就有成百万的斜视患者需接受手术治疗。建立考虑眼眶悬挂组织(简称眼眶组织)的眼球运动模型,对确定眼外肌手术量具有重要的理论价值和临床实际意义。目前只有含眼外肌的眼眶组织的阻力和刚度数据,不含眼外肌的眼眶组织的阻力和刚度还未见诸报道,后者对眼球运动建模的精确性至关重要。方法以兔为实验动物模型研究含/不含眼外肌的眼眶组织的阻力和刚度。通过在体拉伸实验测量眼球水平运动时含上、下直肌和上、下斜肌4条眼外肌的眼眶组织的阻力和刚度;测量眼球垂直运动时含内、外直肌和上、下斜肌这4条眼外肌的眼眶组织的阻力和刚度;测量不含眼外肌的眼眶组织的阻力和刚度。

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  • 2.骨结构-骨单元宏细观尺度下液流信号的传导行为

    • 于纬伦;武晓刚;陈维毅;郭媛
    • 《第十二届全国生物力学学术会议暨第十四届全国生物流变学学术会议》
    • 中国陕西西安
    • 会议

    <正>目的探索骨结构-骨单元宏细观尺度下的液流信号的传导行为。方法利用COMSOL Multiphysics软件建立了含有骨结构、骨内膜、骨外模、骨单元、间质组织、粘合线等功能单元的多孔弹性有限元模型。分析各个功能单元的液体压力,液体流速,应力和应变的变化规律。结果整体骨结构层次上孔隙压力和液体流速由骨内膜沿着骨组织半径到骨外膜有增大的趋势;应力和应变在整体骨组织上分布比较平均,且间隙组织上的Von Mises应力大于

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  • 3.长期高G环境下的骨重建研究

    • 于露,;张扬;程威,,;韦淑萍;韩标;李昊;李瑞欣;陈维毅;张西正
    • 《第十二届全国生物力学学术会议暨第十四届全国生物流变学学术会议》
    • 中国陕西西安
    • 会议

    <正>目的宇航员和飞行员在日常训练中需要承受长期的高G载荷,目前的基于动物模型的研究主要集中于时间较短、G值较低的水平,因此有必要对长期高G环境下的骨组织进行研究。方法以高加速度模拟高G环境,选取3月龄Wistar大鼠,分为空白组、4 G组、8 G组、10 G组、20 G组,进行3 min/d,为期4周的加载(n=4),保持加载时间和加速率一致。加载结束后对大鼠进行取血、解剖,取股骨扫描。在蛋白、基因和组织形态检测骨形成和骨

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  • 4.The effect of intercellular adhesion on immune response of tumor cells at different early stages of tumor growth based on the modeling study

    • 关键词:
    • Cells;Tumors;Cell adhesion;Cell-cell adhesion;Clinical treatments;Distribution patterns;Immune response;Intercellular adhesion;Model results;Theoretical foundations;Tumor treatment
    • Zan, Dali;Zhang, Ying;Yang, Hao;Wang, Kaiqun;Huang, Di;Chen, Weiyi
    • 《2019 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM 2019》
    • 2019年
    • July 8, 2019 - July 12, 2019
    • Hong Kong, China
    • 会议

    Immunotherapy is a significant method of tumor treatment. It is necessary to investigate the underlying mechanism of the complicated tumor-immune interaction to enhance the effectiveness of immunotherapy. In this study, a tumor cell-immune system model is developed to probe the role of cell-cell adhesion on immune response of tumor cells at different early stages of tumor growth with different initial number of tumor cells. The modeling results exhibit at the small initial number of tumor cells, tumor cells could be totally killed at one time under conditions of both low and high cell-cell adhesion. At the large initial number of tumor cells, the number of tumor cells with high adhesion experiences two drastic fluctuation, while low cell-cell adhesion allows tumor cells to show one obvious fluctuation and one weaker fluctuation. The distinctions in the immune-tumor cells interaction could be interpreted from the point view of distribution pattern of tumor cells and their secreted antigens. These findings may further interpret the potential factors to boost the immune system and provide powerful theoretical foundation for the clinical treatment.
    © 2019 IEEE.

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  • 5.The effect of intercellular adhesion on immune response of tumor cells at different early stages of tumor growth based on the modeling study

    • 关键词:
    • Cells ; Tumors ; Cell adhesion;Cell;cell adhesion ; Clinical treatments ; Distribution patterns ; Immune response ; Intercellular adhesion ; Model results ; Theoretical foundations ; Tumor treatment
    • ZanDali;ZhangYing;YangHao;WangKaiqun;HuangDi;ChenWeiyi
    • 《2019 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM 2019》
    • 2019年
    • July 8, 2019 - July 12, 2019
    • Hong Kong, China
    • 会议

    Immunotherapy is a significant method of tumor treatment. It is necessary to investigate the underlying mechanism of the complicated tumor-immune interaction to enhance the effectiveness of immunotherapy. In this study, a tumor cell-immune system model is developed to probe the role of cell-cell adhesion on immune response of tumor cells at different early stages of tumor growth with different initial number of tumor cells. The modeling results exhibit at the small initial number of tumor cells, tumor cells could be totally killed at one time under conditions of both low and high cell-cell adhesion. At the large initial number of tumor cells, the number of tumor cells with high adhesion experiences two drastic fluctuation, while low cell-cell adhesion allows tumor cells to show one obvious fluctuation and one weaker fluctuation. The distinctions in the immune-tumor cells interaction could be interpreted from the point view of distribution pattern of tumor cells and their secreted antigens. These findings may further interpret the potential factors to boost the immune system and provide powerful theoretical foundation for the clinical treatment. © 2019 IEEE.

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  • 6.骨单元到骨细胞的流体力学信号的传导

    • 《第十二届全国生物力学学术会议暨第十四届全国生物流变学学术会议》
    • 2018-08-17
    • 中国陕西西安
    • 会议

    目的建立骨单元到骨细胞的多尺度有限元模型,量化流体力学信号的传递机制,评估骨细胞、骨小管、骨陷窝等功能单元的力传导能力。方法 利用Comsol Multiphysics软件建立了包含骨细胞,骨细胞突触,骨小管和骨陷窝等微观结构的二维多孔弹性力学有限元模型,分析了它们的压力,流速,应力以及应变的分布情况,并得到了骨细胞在不同形状(椭圆、圆形),不同生长方向(水平、竖直)以及不同力学性能(弹性模量、泊松比、渗透率)下的液流刺激信号的传导规律。结果 (1)相比于骨细胞胞体,骨陷窝和骨小管来说,骨细胞突触感受力学信号的能力最强。

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  • 7.PVA/SA/n-HA复合水凝胶的制备及细胞响应

    • 徐梦洁;崔容;张秀梅;陈智坤;魏延;胡银春;黄棣;陈维毅
    • 《第十二届全国生物力学学术会议暨第十四届全国生物流变学学术会议》
    • 中国陕西西安
    • 会议

    <正>目的利用聚乙烯醇(PVA)良好的生物相容性、亲水性、力学性能,海藻酸钠(SA)的黏性、无毒副作用以及纳米羟基磷灰石(n-HA)的类骨成分、可降解性能,将三者复合得到性能良好的复合水凝胶。方法以n-HA为无机相,与PVA及SA复合形成溶胶;再以CaCl2和硼酸为交联剂,循环冷冻解冻,使其具有互穿网络结构,制备PVA/SA/n-HA复合水凝胶。通过冷冻干燥制备多孔支架,利用SEM观察凝胶内部的互穿网络结构,通过FTIR、XRD分析交联情况。将水凝胶与MG63共培养,通过MTT研究水凝胶表面细胞增殖情况,SEM观察细胞在其表面的生长形态,荧光

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  • 8.骨结构-骨单元宏细观尺度下液流信号的传导行为

    • 于纬伦;武晓刚;陈维毅;郭媛
    • 《第十二届全国生物力学学术会议暨第十四届全国生物流变学学术会议》
    • 中国陕西西安
    • 会议

    <正>目的探索骨结构-骨单元宏细观尺度下的液流信号的传导行为。方法利用COMSOL Multiphysics软件建立了含有骨结构、骨内膜、骨外模、骨单元、间质组织、粘合线等功能单元的多孔弹性有限元模型。分析各个功能单元的液体压力,液体流速,应力和应变的变化规律。结果整体骨结构层次上孔隙压力和液体流速由骨内膜沿着骨组织半径到骨外膜有增大的趋势;应力和应变在整体骨组织上分布比较平均,且间隙组织上的Von Mises应力大于

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  • 9.Cell response of nano-apatite modifed implant

    • 《第十二届全国生物力学学术会议暨第十四届全国生物流变学学术会议》
    • 2018-08-17
    • 中国陕西西安
    • 会议

    Objective The surface modification has been progressed into actively guiding bone tissues reconstruction from passively adopted to the healing of surrounding tissues. Additionally, the effect of surface modification has been developed from micron scale into nanoscale. Nano-coating on implant surface can form a highly similar three-dimensional rough nano surface between the surface of implant and bone tissues. This can be directly used to regulate function of cells surrounding the implant and improve the early osseointegration with good me-

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  • 10.长期高G环境下的骨重建研究

    • 于露,;张扬;程威,,;韦淑萍;韩标;李昊;李瑞欣;陈维毅;张西正
    • 《第十二届全国生物力学学术会议暨第十四届全国生物流变学学术会议》
    • 中国陕西西安
    • 会议

    <正>目的宇航员和飞行员在日常训练中需要承受长期的高G载荷,目前的基于动物模型的研究主要集中于时间较短、G值较低的水平,因此有必要对长期高G环境下的骨组织进行研究。方法以高加速度模拟高G环境,选取3月龄Wistar大鼠,分为空白组、4 G组、8 G组、10 G组、20 G组,进行3 min/d,为期4周的加载(n=4),保持加载时间和加速率一致。加载结束后对大鼠进行取血、解剖,取股骨扫描。在蛋白、基因和组织形态检测骨形成和骨

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