典型退行性病变异常骨结构多层次结构形态和力学性能研究

Degenerative diseases are very common for the musculoskeletal system of the elderly population, especially at knee joint, hip joint and lumbar spine. It is of great significance to deeply investigate the morphology, mechanical property, as well as the functional adaptation process of abnormal bone structure caused by degenerative bone disease for a better clarification of its pathology, and prevention & treatment strategy. It is a very important applied basic research topic. The abnormal degenerative tibia, femur and lumbar vertebral body are the subjects in this project. By integrating multi-level computational biomechanical methods (i.e. nonlinear micro-finite element analysis and simulation on bone functional adaptation process), imaging techniques (Micro-CT scanning, scanning electronic microscopy, and atomic force microscopy techniques) and mechanical testing methods (macro-nonlinear mechanical test and nanoindentation test), the internal microstructures and mechanical properties of each abnormal structure at meso-, micro-, and nano-levels will be investigated, the functional adaptation process of each abnormal bone structure will be quantitatively predicted to explore the formation mechanism of each abnormal bone structure. Finally, for each abnormal bone structure the relationships between the multi-level mechanical properties and its morphologies will be investigated. This project may contribute to elucidate the pathology of degenerative bone diseases and find the corresponding preventive and curative strategies.

退行性病变是中老年群体肌骨系统最常见的疾病，尤其多发于膝、髋关节及腰椎。深入系统地研究退行性病变异常骨结构的结构形态和力学性能，及其功能适应性过程，对于弄清退行性病变的发病机理，以及寻找相应的预防和治疗措施有重要意义，是非常重要的应用基础研究课题。本项目以胫骨、股骨和腰椎三个部位发生退行性病变的异常骨结构为研究对象，通过多层次的计算生物力学方法（非线性显微有限元分析、骨功能适应性过程模拟预测）、计算机影像技术（Micro-CT扫描、扫描电镜、原子力显微镜技术）和力学实验方法（宏观非线性力学实验、纳米压痕实验）相结合，研究各种异常骨结构内部细观层次和微纳观层次的显微结构形态和力学性能；定量模拟预测各种异常骨结构的功能适应性过程，探索各种异常骨结构的形成机理；最后寻找各种异常骨结构多层次力学性能与其结构形态的关系。为弄清退行性病变的发病机理，以及寻找相应的预防和治疗措施做出贡献。

退行性病变是中老年群体肌骨系统最常见的疾病。深入系统地研究退行性病变异常骨结构的结构形态和力学性能，及其功能适应性过程，对于弄清退行性病变的发病机理，以及寻找相应的预防和治疗措施有重要意义。. 本项目利用多层次骨结构形态和力学性能实验方法、骨肌系统生物力学建模与仿真方法，在多层次结构形态和力学性能方面，研究了老龄化对于雌性大鼠胫骨平台关节软骨和软骨下骨结构形态和力学性能的影响；以及老龄引起股骨头松质骨内部不同区域的纳观表面形态和力学性能退化；比较了股骨近端骨折患者的股骨头内部不同区域显微结构形态和力学性能的差异；获得了老年L4松质骨表观和组织水平屈服行为及其与显微结构形态的关系；建立了腰椎多孔弹性有限元模型，找到了适合不同退变程度腰椎间盘的工作-休息方式；探索了大鼠股骨结构形态和力学性能随月龄的变化，预测了大鼠股骨皮质骨微观失效应变随月龄的变化规律；基于扩展有限元断裂模拟方法研究了老龄骨丢失对松质骨力学性能的影响分析；探究了QCT扫描分辨率与网格尺寸对牛椎体及其内部松质骨力学参数的影响。在生物力学新方法修复骨退变和骨折方面，多尺度研究了不同间歇方式的高频率低载荷机械振动对骨折愈合的影响，负重结合高频率低载荷振动对生长期雌性大鼠骨力学性能的影响，及负重结合运动对大鼠膝关节骨和软骨的影响；采用定量骨功能适应性理论与有限元分析相结合的方法研究了全膝关节置换中胫骨假体的构型与材料对胫骨骨重建行为的影响。在支架的结构形态对于骨修复的作用方面，采用有限元分析方法预测了五种骨组织工程支架表面BMSCs分化结果；采用细胞及分子生物学方法初步探讨了拓扑微结构基底影响细胞成骨向分化及其机制。. 本项目已发表SCI收录论文16篇（其中Q1区7篇，Q2区2篇），CSCD收录论文6篇；荣获2015年度教育部自然科学奖一等奖、2017年度中国生物医学工程学会黄家驷生物医学工程一等奖。培养博士后3名，研究生17名。