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空軍軍醫大學牛麗娜教授團隊《Carbohyd. Polym.》:硫酸軟骨素參與生物礦化的全新機制
2023-04-07  來源:高分子科技

  骨缺損修復需求和異位鈣化疾病的高發病率使得揭示礦化作用機制的相關議題一直備受關注硫酸軟骨素(Chondroitin sulfate, CS)是礦化組織中重要的細胞外基質成分,它可以與種生長因子和受體相互作用,從而介導牙本質生成和骨形成此外,硫酸軟骨素在骨組織工程領域的應用也十分廣泛,但其調節礦化的具體方式尚不明確。


  為了解決這一問題,空軍軍醫大學牛麗娜教授團隊過體外仿生礦化手段聯合多種表征技術探究了硫酸軟骨素對礦化的調節作用,并利用分子動力學模擬對作用機制做出解釋。在此基礎上發現了硫酸軟骨素沉積與跟腱病理性鈣化的發生具有相關性。硫酸軟骨素促進膠原纖維礦化的能力拓寬了其在骨缺損修復和骨質疏松疾病中的應用,也為病理性鈣化疾病的靶向治療提供了新方向 


圖一 硫酸軟骨素參與生物礦化機制圖


  本研究通過引入跟腱異位骨化的病理模型,提出了硫酸軟骨素可以直接參與膠原纖維礦化的創新性觀點。結果表明,游離狀態的硫酸軟骨素能夠以濃度依賴的方式穩定超飽和鈣磷溶液,形成CS-ACP(硫酸軟骨素-無定型磷酸鈣)納米顆粒,進而誘導高效的膠原纖維內礦化。 


圖二 硫酸軟骨素可以誘導膠原纖維礦化


  分子動力學模擬結果表明硫酸軟骨素分子之間的氫鍵提供了啟動硫酸軟骨素自組裝的能量來源。隨后環境中的鈣離子和磷酸氫根離子在靜電相互作用下聚集在硫酸軟骨素聚集體周圍形成CS-ACP 


圖三 CS-ACP形成的機制探究


  然而,當硫酸軟骨素處于固定狀態時,它誘導膠原纖維內礦化的能力很微弱這可能是由于固定化的硫酸軟骨素自組裝能力降低,形成空間位阻干擾了鈣磷離子的擴散。以上結果表明,硫酸軟骨素的存在形式會顯著影響膠原礦化的結果。 


圖四 固定狀態的硫酸軟骨素對膠原礦化的影響


  此外,在大鼠異位骨化模型中發現了礦物質沉積與硫酸軟骨素表達具有相關性。而細胞外基質中存在的一種水解酶(透明質酸酶-1)可能充當了硫酸軟骨素從固定狀態轉變為游離狀態的催化劑。


  該工作以“A seminal perspective on the role of chondroitin sulfate in biomineralization”為題發表在《Carbohydrate Polymers》期刊上,論文的通訊作者為空軍軍醫大學牛麗娜教授,空軍軍醫大學和山西醫科大學聯合培養研究生郝茄辛碩士,空軍軍醫大學萬千千博士、慕昭研究員為本文的共同第一作者。該工作得到國家重點研發計劃國家自然科學基金口腔疾病國家臨床醫學研究中心以及陜西省重點科技創新團隊資助


  牛麗娜教授團隊深耕生物礦化領域,長期從事仿生礦化材料與硬組織缺損再生修復等方面的研究工作。在國際上首次實現了膠原支架的纖維內礦化模式,并闡明了其機制,為仿生再礦化技術的臨床應用提供了重要的理論基礎和技術支持;通過仿生鈣化、硅化及雜化技術,首次成功構建出高強度、高生物活性、具有自主知識產權的系列膠原支架材料,解決了礦化技術在骨缺損修復應用中的關鍵難題。先后主持國家青年863項目、國科金優青項目、面上項目等20余項基金。近年來,發表SCI論文158篇,以第一/通訊(含共同)作者在Nat MaterProg Polym Sci等國際著名期刊發表SCI論文101篇。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861723002023

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(責任編輯:xu)
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