生物流变科学与技术教育部重点实验室

研究方向
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根据国家和地区发展规划,围绕人类健康和国民经济的重大需求,具体将围绕以下四个新的研究方向开展研究:

一、生理及病理过程中的生物流变学应用基础研究

本方向围绕人类健康和国民经济的重大需求,将流变科学的理论、方法和技术与细胞生物学、分子生物学技术相结合,致力于力学环境/刺激对生命体(特别是心脑系统)的健康、疾病或损伤的影响,研究细胞及分子的力信号感知和响应机制,阐明生命体相关生理及病理过程中的力学和生物学耦合过程之间的相互关系。主要研究内容:1)分子、细胞及组织的生物力学&力生物学;2)心、脑血管系统病发生、发展过程中的生物力学问题。着重于:a. 细胞、分子的力信号感知和响应机制;b. 心(脑)血管系统病发生、发展过程中的应力时空模型及力信号传导机制。

1、分子、细胞及组织的生物力学&力生物学

干细胞是一类具有自我更新和多分化潜能的特殊细胞,不仅处于复杂的生物化学环境中,也处于复杂的力学微环境中,细胞间、细胞与微环境间通过力学、化学、生物学信号的交互对话,参与胚胎发生、伤口愈合、炎症反应、血栓形成以及肿瘤转移等多种生理及病理过程。主要研究内容:1)干细胞全能性(多能行)的生物学基础及调控方法,包括干细胞自我更新及分化的微环境和调控网络、力学、化学及生物学因素对干细胞分化的协同作用机理、体细胞去分化及再分化的机理及新技术、干细胞及相关技术的安全级伦理问题等。2)干细胞生物力学及力生物学的分子基础,包括单个/群体干细胞的生物力学特性研究(生理及病理状态下细胞变性、迁移能力的改变对生物学功能的影响)、力学刺激下干细胞的生物学响应(细胞的增殖、粘附、分化、迁移、凋亡等生物学行为的改变)、细胞骨架的拓扑结构及骨架关键蛋白对细胞生物力学及力生物学行为的影响、干细胞表面蛋白/跨膜蛋白/胞内信号分子构象变化对力信号的感知、传递和转导。

2、心、脑血管系统病发生、发展过程中的生物力学问题

心血管病死危害人类生命健康最严重的疾病之一。探讨心血管病的发病机理从而进行有效的防治是国家的重大需求。心血管系统病变过程的生物力学问题包括心血管病变的信号转导通路及力学调控途径;血流动力学因素与心血管组织生物效应之间的关系;血流动力学因素与血管发育的关系;采用靶向性好、效率较高的TALEN、Cas9等DNA定点修饰技术,从血管发育的角度筛选与血管疾病和力学因素相关的基因;动脉粥样硬化斑块形成和破裂的生物力学及力生物学机制;人工血管替换和血管支架介入的血流流场和血管壁流变学性质变化的计算机数值模拟和植入物结构优化;支架植入后血管局部力学环境的改变对支架内再狭窄和晚期血栓形成的影响及其分子机理;支架内再狭窄、特别是血管重构与内膜增生状态下血流动力学因素对内皮细胞、平滑肌细胞力生物学行为的影响及机理;力学环境变化(剪应力)以及血管病变(动脉粥样硬化)等因素所导致的血管内皮细胞表面分子间相互作用的动力学变化和生物力学特性的变化。

3、脑疾病的发生发展生物力学成因研究

围绕脑卒中等神经重大疾病的干预治疗临床需求,以微流控芯片、微电极阵列等新技术方法,研究神经细胞对电磁场、力场、温度场等物理因子,以及营养因子、药物形成等化学微环境的响应机制,从分子、细胞、组织多层次研究外界刺激对神经细胞生长及分化过程的调控,对神经元基因表达、离子通道、动作电位发放/传播、功能网络形成及信息处理等生理过程的影响,建立物理因子神经刺激的生物-物理模型;研究神经组织在原位治疗过程中的细胞生长、分化过程,神经组织修复与再生进程中神经信号传导与整合的动态变化过程,以及神经组织修复与功能重建的内在联系。如:研究血肿应力对“豆纹动脉神经复合体”神经结构与功能的影响及其机制,拟从生物力学的角度探讨“豆纹动脉-神经复合体”在高血压脑出血后的核心地位和作用,以期为临床治疗方式、时机的选择及预后的判断提供可靠科学依据。

二、生物材料表界面与细胞流变/组织修复的基础研究

本方向重点围绕人类健康和国民经济的重大需求,将流变科学的理论、方法和技术与细胞生物学、分子生物学技术相结合,致力于力学环境/刺激对生命体健康、疾病或损伤的影响,以生物流变学为优化指导原则研发功能生物材料、人造生物组织替代物和生命系统器材与装置。研究生物材料与细胞/组织相互作用及分子机制。主要研究内容:1)骨/关节生物医用材料设计及应用;2)韧带修复材料设计及生物流变学研究。着重于:a. 骨/关节硬组织修复、替代材料设计新方法;b. 基于生物流变学韧带修复材料研发及力学调控机制。

1、骨/关节生物医用材料设计及应用

(1)材料性质调控细胞流变性的基础研究

利用自组装技术、纳米技术、表面图案化技术和分子生物学技术等探索材料性质(表面化学、微/纳米拓扑结构、表面能,材料力学,构造等)调控细胞(粘附、迁移及分化)流变性的影响规律;研究材料界面微环境调控细胞流变性和细胞行为的基本规律和机制,为设计能诱导合适细胞或组织流变性的生物材料或支架,即生物流变适应性材料或支架提供指导。开展钛合金界面微/纳图案化研究,发展新型构建技术,揭示细胞(成骨细胞/骨髓基质干细胞)与钛合金界面的生物学响应规律及分子机制。开展钛合金材料药械结合研究,建立抗菌/抗炎界面构建新方法,研发具有原位局部抑制骨质疏松发展的新型钛基植入体,以动物模型验证、优化实验设计。

(2)生物流变适应性材料及其应用

以生物相容性和生物流变适应性为指导,设计制造具有仿生、形状记忆、智能、抗非特异性蛋白吸附等功能的生物材料和支架,应用于骨组织、肌腱、血管的修复与再生,解析组织修复与再生的生物流变学机制,以期构建合适的医用组织替代物;开展基于介孔硅/四氧化三铁磁性纳米颗粒的药物控释系统研究,建立合成不同粒径、孔径及形貌的纳米颗粒的合成方法,开发针对肿瘤治疗的响应性(pH、温度、还原响应、光等)的纳米靶向药物控释系统,体内外实验验证其有效性,探究细胞/组织转运途径及分子机制。

2、韧带修复材料设计及生物流变学研究

包括重点研究软组织损伤修复等的病理生理机制以及探索组织修复相应的防治技术和方法;组织修复中的生物力学研究--力学微环境与细胞的归巢、分泌及分化;软组织(如前交叉韧带等)损伤与修复机理和基因调控;力学刺激下细胞生物学响应、细胞与材料表面间相互作用;力学微环境对干细胞生长、增殖、分化及迁移的调节及相关规律;检测细胞及其内部结构和力学特性的新技术和方法。

三、生化过程中流变学控制的关键技术及应用

本方向将以生物力学为优化指导原则,重点考察基于仿生过程的微纳尺度生物传质和组织修复中生物传质现象,研究微纳药物控缓释、分子跨膜传输的动力学过程、组织工程生物反应器等中的传质规律,提出检测不同尺度下生物传质过程的新技术或新方法,基于仿生过程设计和优化微纳药物系统和组织工程生物反应器,主要研究内容:1)基于仿生过程的微纳尺度生物传质;2)生物反应器(如:组织修复)中生物传质研究。着重于:a. 纳微给药系统中传质新技术& 新方法;b. 基于生物传质的组织工程生物反应器设计与优化;c. 基于微观流变学的细胞膜表面传质动力学过程;d. 骨、韧带等修复中生物传质过程及其应用。

四、力-电耦合与流变学调控的基础及应用研究

本方向运用生物医学电子、信号分析建模、微流控芯片的技术和方法,研究微电场、微流场、温度场等物理因子对细胞的作用机制及细胞的生理响应,以及基于微流控芯片的临床检测关键技术,研究心脑血管系统、神经肌肉系统的力-电耦合机制及功能评价关键技术与方法,主要研究内容:1)微流控芯片上凝血功能检测关键技术及临床应用;2)心脑血管血流动力学特征检测及病理/生理状态评价方法;3)神经肌肉系统电-力耦合的动力学模型及临床应用。着重于:a. 微流控芯片上凝血功能检测关键技术及临床应用;b. 脑血管血流动力学特征检测及病理/生理状态评价方法;c. 神经肌肉系统电-力耦合的动力学模型及临床应用。