骨生物力学与力学生物学上海

骨生物力学与力学生物学戴尅戎上海交通大学医学院附属第九人民医院2008年7月23日上海生物力学研究生物体中力的作用机理早期的主要研究手段与非生物体的力学研究手段相同骨生物力学的发展研究层面宏观微观骨的微观结构细胞与分子的力学响应机制骨生物力学的发展研究方法数字成像与图像处理技术计算机辅助分析仿真模拟……骨生物力学的发展应用研究诱导因子骨组织工程研究体外力学环境的构建及研究机械应力骨生物力学的发展研究内容骨的基本力学性能骨的力学生物学力学机制与骨的发育、塑形、重建和适应性的关系力学生物学——背景基本的生物学过程都是通过信号调控实现的信号是通过细胞对力的感知产生的Roux假说1895What发生了什么When什么条件下发生Why为什么发生细胞如何感受信号刺激机械力如何传导至组织内信号如何刺激细胞表达和分化力学生物学Mechanobiology揭示箱子里的秘密Input:机械力Output:形态功能适应Processing机械力如何传导至组织内细胞如何感受到信号刺激信号如何刺激细胞的表达与分化研究内容机械力刺激信号信号传导通路细胞反应过程力学生物学MechanobiologyFormfollowsfunctionfollowsform生物力学关注后段functionfollowsform力学生物学关注前段formfollowsfunction刚体力学线形黏液流体力学线弹性固体力学是一种近似分析忽略了生物体与非生物体的本质差别早期生物力学研究手段与非生物体有本质不同由特殊的高分子组成是一种高度组织化的生命系统具反馈、稳态和代谢机能具复杂的信息转换与贮存、遗传和适应性具自然选择和个体差异等特征——是传统的生物力学手段难以阐明的生物有机体力学稳态理论骨结构与应变间的反馈关系应变在生理范围内应变生理范围应变生理范围骨吸收≈骨形成骨吸收骨形成——骨重建骨吸收骨形成——骨塑形非生物体产生可以预测的应变生物体同时产生：受力后肌肉神经活动细胞增殖、分化、凋亡、迁移生理学、解剖学、组织学、生物化学改变——难以用传统生物力学手段观察力学生物学Mechanobiology研究重心：力学→生物学机械力如何调控组织的形态和结构组织如何通过对力学刺激的反馈，生成并维持其形态和结构，以适应环境改变从细胞分子层面揭示组织的力学响应机制一种逆向生物力学研究一个深入拓展的新兴研究领域骨力学生物学骨发育过程软骨内成骨软骨细胞增殖软骨细胞肥大软骨基质矿化软骨成骨过程的力学生物学力学作用间隙性的流体静压力维持软骨性能，剪应力使软骨骨化成骨指数：流体静压力与剪应力综合作用结果最大剪应力最小静压力力对骨发育的重要影响力软骨细胞增殖细胞活动减弱软骨矿化加速软骨矿化减弱软骨细胞对其周围的生物物理信号产生响应，如渗透压力、流体静压、电能梯度和ph值软骨内的细胞包埋于基质中，力学负荷通过基质传递至细胞软骨骨化受流体静压力与剪应力作用仿真研究OsteogenicIndex软骨厚度与静压力负荷呈非线性关系厚软骨:静压力负荷大薄软骨:静压力近乎恒值不同层厚软骨的力学响应厚软骨:剪应力峰值位于距软骨表面1/3处薄软骨:剪应力峰值位于软骨基底部不同层厚软骨的力学响应不同层厚软骨的成骨变化厚软骨：骨化位于距软骨表面40%软骨厚度处薄软骨:骨化位于软骨下骨处成骨变化力学响应仿真结果证实骨化中心在软骨骺处HighMediumLowOsteogenicIndex软骨矿化中机械力的作用机制软骨矿化问题外力是如何传入到细胞层面上？是哪一种机械刺激引起了它们的反应？骨塑形（bonemodeling)皮质骨和松质骨的微观结构适应力学环境而成形和生长的过程破骨细胞活化，继而发生骨吸收成骨细胞活化，继而发生骨生成力学因素对骨塑形的作用力学因素通过骨吸收与骨形成的相互平衡来调整骨的形状、大小及有机组成使骨骼结构朝有利于其承载负荷的方向优化生长骨重建新骨替代旧骨维持骨的力学性能，防止骨组织内的微损伤或微裂痕破骨细胞和成骨细胞相互作用骨形成与骨吸收的偶联过程骨重建机理natureversusnurture先天←→后天遗传因素与环境因素骨重建中的力学生物学骨重建中的细胞传导通路微裂痕和微损伤机械负荷破骨细胞增加沿主要负荷方向进行骨吸收募集成骨细胞形成新骨骨力学生物学力学因素参与了骨重建过程•骨重建随人体活动变化而进行•运动使骨量增加，运动防止骨量减少•老年骨质疏松、老年骨关节炎力学因素对骨重建的作用FEA:有限元分析；SED:应变能量密度骨重建中的力学生物学问题•外力是通过何种途径引起局部破骨细胞活动的？•骨形成与骨吸收，作用因素？•生物学因素？生长因子潜在刺激了破骨细胞的形成？•生物力学因素？局部应力集中启动成骨细胞（刺激骨形成信号）？骨塑形与骨重建对骨强度和骨量的综合影响骨重建阈值骨塑形阈值显微骨折阈值骨折阈值骨的力学适应性骨能改变其结构以适应力学刺激骨可通过重建修复其结构性损伤——Wolff定律骨的力学适应性Wolff原理：骨以其最优结构适应机械应力临床应用：通过创建适宜于骨组织的力学和生物学环境，恢复骨的功能骨适应性的力学生物学骨适应性的力学生物学•骨与周期性应力(而非静态应力)相适应•应变对维持骨量和骨适应性有重要影响•应变是实现骨动态平衡的一个重要调控因素•骨细胞是骨内最重要的力学感受器，能感受应变相关研究结论骨适应性的力学生物学延长对骨施加负荷的时间骨形成效应逐渐减缓即骨细胞对负荷的敏感性下降暂停负荷敏感性恢复力学感受器骨细胞骨适应性的力学生物学•骨细胞的酶活动随骨承受的负荷而增加，增加程度与骨组织产生的应变成正比Skerry•骨细胞可通过微小的流体剪应力感知到已钙化基质中的应变Weinbam•骨细胞主要感应脉动流体Jacobs问题骨适应性的力学生物学•无法精确地预测骨对力学刺激的适应性反应•力学信号的传导通路、影响因素•力学刺激与骨适应性的关系骨组织工程中的生物力学要具备一定的力学性能——稳定性——承载性能力学环境影响组织工程骨的形成与吸收如何在体外建立适合骨形成的力学条件组织工程化骨构建过程中的力学问题骨组织工程中的力学调节因素与作用对离体培养的细胞加力材料的力学性能提供生理相关的物理信号种子细胞生物支架材料生物反应器细胞加力装置可精确调控重复性好多种加力方式真空负压力弹性底被负压拉伸Flexcellplate1-5%拉伸，持续12天Flexcell(FlexcellInternational,Hillsborough,NC)骨细胞对力的反应不同分化阶段细胞在体内外均对力学刺激有高响应周期性压力可促进BMSC向软骨方向分化单轴周期性张应力可诱导BMSC的增殖分化，但可使骨钙素和AKP降低－Sumanasinghe,2006周期性压力可促进BMSC向软骨方向分化拉伸牵张应力对成骨细胞生长特性的影响未受力细胞受力细胞成骨细胞增殖与拉伸应力的关系00.10.20.30.40.50.60.70.80.911strainODofMTTstaticcontrol0.7%elongation1%elongation2%elongation4%elongation6%elongaton8%elngation机械牵张力对成骨细胞成骨分化的影响05101520012468Culturetime(d)RalativeactivityofALPStrechControl参数:1Hz,24h,6%变形率,½sinus波形流体剪切应力促使鼠BMSCs向成骨细胞分化分泌骨桥蛋白(OPN)和钙基质具有一定的量效关系Holtorf对复合在钛网上的成骨细胞进行灌注培养钙盐沉积随灌流速度增大而增多Bancroft通过竞争性信号转导通路诱导干细胞向成骨细胞分化Kapur生物反应器搅拌式旋壁式灌注式Critical-sizePorousβ-TCPscaffoldH=30mm,φ=14mm剪切力—生物反应器灌注确保载体中心营养供应促进细胞增殖分化目前仅用于小型载体流体作用机制流动剪切流动电压化学转导灌注型生物反应器解决细胞在载体内分布和营养供应促进细胞的增殖和分化2周静态动态动态4周静态组织形态计量学01530456075902wk4wk1wk2wk4wk静态培养动态培养组织占孔率(%)细胞活力细胞增殖VelocitywithinscaffoldFSSwithinscaffoldFSSwithinscaffoldAnalysisofFlowShearStress(FSS)InitialFSS&VelocityWithinScaffoldZoneInitialFSS（Pa）InitialVelocity（mm/s）3ml/min6ml/min9ml/min3ml/min6ml/min9ml/minA10.01180.02360.03570.4010.8001.197A20.00680.01380.02100.2390.4800.734A30.00670.01360.02070.2720.5500.843A40.00550.01110.01700.3060.6200.951B10.00560.01130.01710.2270.4600.695B20.00540.01090.01650.2280.4600.702B30.00480.00970.01470.2310.4700.717B40.00400.00820.01250.1720.3500.533C10.00380.00780.01180.1660.3300.506C20.00580.01180.01780.2440.4900.750C30.00400.00820.01250.1860.3800.574C40.00160.00320.00490.0740.1500.229D0.00940.01910.02900.4240.8601.314Mean0.00580.01170.01780.24380.49230.7500SD0.00260.00520.00780.09400.18900.2862InitialVelocityWithinScaffold00.20.40.60.811.21.4A1A2A3A4B1B2B3B4C1C2C3C4DDifferentzoneofthescaffoldPrimaryvelocitywithinthescaffold(mm/s)3ml/min6ml/min9ml/minC2C3C1A1A2A3B2B3B1A4B4C4DInitialFSSWithinScaffold00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04A1A2A3A4B1B2B3B4C1C2C3C4DDifferentzoneofthescaffoldFSSwithinthescaffold(Pa)3ml/min6ml/min9ml/minC2C3C1A1A2A3B2B3B1A4B4C4DSEM3ml/min50×6ml/min50×9ml/min50×Histologicalinvestigation3ml/min40×6ml/min40×9ml/min40×3ml/min100×6ml/min100×9ml/min100×Histologicalinvestigation推动功能性组织工程的发展对力学相关疾病(骨折、骨关节炎、骨质疏松等)的机理与防治提供指导发展更适宜、更安全的手段来促进骨量增加，降低骨折发生几率骨力学生物学研究的临床意义骨科医生能为力学生物学的发展作些什么？当好一名学生做相关研究的追随者与参与者受益者——医生和患者谢谢！固体与流体的混合物，兼具固体力学与流体力学性能软骨力学生物学Ⅱ型胶原网架蛋白聚糖组织间液软骨关节负荷、运动间隙性局部流体压力软骨内液体从基质中渗出液体渗出仅发生在软骨表面层区域原因：软骨下骨无渗透能力周围软骨的流体压力与受压区形成压力梯度软骨软骨组织形态表浅层GlidingZone移行层