老龄化过程中腰椎骨退变和椎间盘退变的关系研究

Lumbar degeneration frequently occurs in the elderly population. It has high incidence and is very harmful. How to delay and treat aging-related lumbar degeneration is one of the research hotspots in the fields of musculoskeletal biomechanics and medical science, in which the key problem is the relationship between lumbar bone degeneration and intervertebral disc degeneration. This project focuses on the relationship between lumbar bone degeneration and intervertebral disc degeneration during aging process. Its strategy follows “structure/mechanical property - mechanical sensitivity - mechanical response/adaptation”. By integrating multi-scale imaging techniques, mechanical testing methods and biochemical analyses, changes of multi-scale morphology and mechanical properties of lumbar bone and intervertebral disc during aging process and their relationship will be explored using animal model. By integrating multi-scale finite element modeling and section scanning with confocal microscope, responses of osteocytes to mechanical stimuli during aging-related lumbar degeneration will be quantitatively described. By combining biomechanical simulation methods with medical imaging, influences of degeneration of single or multiple internal structure of lumbar spine on the biomechanical responses of lumbar bone and intervertebral disc will be evaluated, and their influences on the degeneration process of lumbar bone will be quantified. This project is of important theoretical significance to clarify the mechanism of lumbar degeneration, and can provide theoretical basis and reference to find strategies to delay and treat aging-related lumbar degeneration diseases.

腰椎退行性变多发生于中老年人群中，发生率高，危害大，如何延缓和治疗老龄化腰椎退变是骨肌生物力学领域和医学领域的研究热点之一，其核心问题是腰椎骨退变和椎间盘退变之间的关系。本项目针对老龄化过程中腰椎骨退变和椎间盘退变的关系，沿着“结构形态/力学性能-力学感知-力学响应/适应性”的路线开展研究：将多尺度计算机影像技术、力学实验和生物化学分析相结合，采用动物模型探索老龄化过程中腰椎骨和椎间盘的多尺度结构形态和力学性能的变化规律，以及它们之间的关系；将多尺度有限元建模仿真方法和激光共聚焦显微镜层扫相结合，定量描述老龄化腰椎退变过程中骨细胞感知力学激励的变化规律；将生物力学建模仿真与临床医学影像相结合，评价腰椎内单一或多个结构退变对于腰椎骨和椎间盘生物力学响应的作用规律，及对于椎骨退变过程的影响。对于弄清腰椎退变机理具有重要的理论意义，为寻找延缓和治疗老龄化腰椎退变疾病的措施提供理论依据和参考。

当今人口老龄化日趋显著，骨质疏松、腰椎间盘突出等骨退变疾病是中老年人群的常见病、多发病，已成为不容忽视的社会经济沉重负担。本项目对于弄清腰椎退变机理具有重要的理论意义，可为寻找延缓和治疗老龄化腰椎退变疾病的措施提供理论依据和参考。.本项目围绕老龄化过程中腰椎骨退变和椎间盘退变的关系，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，开展了深入、系统的研究。在老龄化过程中腰椎骨退变和椎间盘退变的多层次结构形态和力学性能方面，研究了不同月龄大鼠腰椎显微结构与力学参数的关系，建立了个体化有限元分析与机器学习相结合预测腰椎椎体强度的方法，运用统计形状和密度模型量化L1椎骨与退变相关的形状和密度分布变化，采用皮质骨体外非酶糖基化（NGE）的方法评估其对骨力学性能的影响，并采用生物力学建模仿真方法分析了老年和年轻人股骨近端的多尺度力学响应。在力学刺激和药物对于骨退变的修复作用方面，建立了2型糖尿病（T2DM）大鼠模型，采用多尺度形态观测和生物力学实验评估持续皮下胰岛素注射（CSII）治疗的2型糖尿病大鼠腰椎的显微结构、力学性能和骨矿物成分，研究了不同时期全身振动对雌性大鼠腰椎微观结构形态和力学性能的影响，以及不同剂量维拉帕米对于雄性大鼠腰椎微观结构形态和力学性能的影响，并且开展了高分辨率皮质骨显微结构形态观测和疲劳力学性能测试，研究了不同强度跑台运动对成龄雄性SD大鼠长骨质量和肌肉性能的影响，以及不同负重水平跑步运动对生长期雌性大鼠骨质量的影响。在支架的结构形态对于骨修复的作用方面，采用基于隐函数建模的方式设计了具有高承载能力、优异渗透性能的多孔骨支架，并且增材制造了具有与骨力学性能相似的多层级Voronoi-晶格支架。.本项目已发表SCI收录论文18篇（其中Q1区5篇，Q2区8篇），EI收录论文1篇，CSCD收录论文2篇。培养博士后1名，研究生19名。