Dynamic Spectroscopic Imaging in Bone Biomechanics

骨生物力学中的动态光谱成像

基本信息

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): The overall project goals are development of Raman imaging with application to changes in bone mineral crystallite lattice and matrix collagen secondary structure in tissue subjected to tensile and compressive loading. Line-focused 532 nm laser light will be used to excite spectra of tissue pretreated by chemical and photochemical bleaching of fluorophores. An imaging spectrograph and low-light level CCD will provide spatially resolved spectra and ability to measure 0.1-0.2 cm(-1) changes peak in position with integration times as low as 0.05 sec. The project is the first phase of a study of the failure mechanism of osteoporotic tissue at the level of atomic and molecular structure, with the goal of new intervention strategies for minimization of fracture risk. The project will also serve as a model for study of biomechanics and other metabolic diseases and genetic defects of musculoskeletal tissue. Techniques will be developed using bovine bone and then ported to archived human tissue specimens. Our hypotheses are: Ion spacing in bone mineral change under mechanical stress during elastic deformation, while plastic deformation (cracking, compression or fracture) results in permanent changes 2) The matrix responds to mechanical stress in the elastic regime by perturbation of cross-links and changes in helix pitch of the strands of the collagen fibrils, resulting in changes in helix and coil conformations and hydrogen bonding. In plastic deformation cross-links between collagen fibrils are ruptured. These hypotheses can be tested by spectroscopic imaging of tissue because vibratioal frequencies and intensities respond to changes in local environment. Static Raman imaging will explore chemistry of tissue that has been subjected to fatigue loading. Dynamic imaging will follow changes in bone tissue chemical parameters with applied loads. Both univariate and multivariate methods will be used for data reduction. Systematic studies of age effects will be performed on murine tissue with exploratory work on human tissue at age extremes.
描述(由申请人提供): 总体项目目标是拉曼成像的开发,并应用于骨矿物质结晶石晶格的变化和基质胶原蛋白二级结构,该结构受到拉伸和压缩负荷的影响。以线为重点的532 nm激光光用于激发荧光团化学和光化学漂白预处理的组织光谱。成像光谱仪和低光级别的CCD将提供空间分辨的光谱,并能够测量0.1-0.2 cm(-1)的能力,而整合时间低至0.05秒,位置上的峰值变化峰值。该项目是研究原子和分子结构水平上骨质疏松组织破坏机制的第一阶段,其目标是新的干预策略,以最大程度地减少断裂风险。该项目还将作为研究生物力学和其他代谢疾病以及肌肉骨骼组织的遗传缺陷的模型。技术将使用牛骨开发,然后移植到存档的人体组织标本中。我们的假设是:在弹性变形过程中机械应力下的骨矿物变化中的离子间隔,而塑性变形(裂纹,压缩或骨折)导致了永久变化2)基质通过扰动和螺旋中的螺旋脉冲的螺旋脉冲和孔构成填充物的螺旋螺旋脉冲而变化,从而响应了浮力和孔的变化。在塑料变形中,胶原纤维之间的交联。这些假设可以通过组织的光谱成像来检验,因为颤动的频率和强度对当地环境的变化做出了反应。静态拉曼成像将探索已承受疲劳负荷的组织化学。动态成像将跟随带有施加载荷的骨组织化学参数的变化。单变量和多变量方法都将用于降低数据。对年龄效应的系统研究将对在极端年龄的人体组织进行探索性研究对鼠组织进行。

项目成果

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