Mikromechanik von Lamellenknochen

Metabolische Knochenkrankheiten und die verbundenen Frakturen verursachen bedeutende Morbidität und Mortalität unter der älteren Bevölkerung. Diese Krankheiten stellen eine wesentliche und wachsende Belastung unseres westlichen Gesundheitssystemen dar, wogegen man vorgehen muss. Obwohl der Effekt des Knochenverlustes auf die Knochenfestigkeit immer besser verstanden wird, bleiben die Konsequenzen des geänderten Knochenumbaus sowie die Auswirkungen von Medikamenten auf die mechanischen Eigenschaften der extrazelluläre Knochenmatrix unklar. In diesem Zusammenhang ist das Ziel dieses Projektes die Beziehung zwischen morphologische und mechanische Eigenschaften von der extrazelluläre Knochenmatrix zu quantifizieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine duale Modellierung und experimentelle Strategie vorgeschlagen die die folgende Techniken auf der Stufe von einzelnen und mehreren Lamellen anwenden: Homogenisierung, um effektive elastische Konstanten zu rechnen, quantitatives "backscattered electron imaging" (qBEI), um den durchschnittlichen Mineralisierungsgrad festzusetzen, quantitative Polarisationslichtmikroskopie (qPLM), um die durchschnittliche Ausrichtung der Kollagenfasern zu messen und Indentation entlang verschiedenen Richtungen, um die anisotropische Indentationsmodule vom betrachtenden repräsentativen Volumenelement zu messen. Über den innovativen Aspekt der qPLM Technik, die beispiellose Kombination der Modellierung mit experimentellen Methoden auf lamellaren Stufe und das gewonnene Grundwissen über Mechanik des Knochengewebes, wird dieses Projekt erste Werkzeuge liefern, um die Variationen in mechanischen Eigenschaften der menschlichen extrazellulären Knochenmatrix aus messbaren morphologischen Daten vorauszusagen. Diese Werkzeuge werden dann erlauben die biomechanische Konsequenzen von metabolischen Krankheiten zu evaluieren und zukünftig das Gesundheitssystem entlasten sowie verbesserte Behandlung von Patienten ermöglichen. Das Projekt wird zwei Dissertanten in Ingenieurwissenschaften ausbilden, eine nationale Kooperation mit dem Ludwig Boltzmann Institut für Osteologie sowie eine internationale Kooperation mit dem Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung fordern und das letztlich eingeweihte Laboratorium für Nano- und Mikromechanik von biologischen und biomimetischen Werkstoffen der Technische Universität Wien nutzen.

Metabolische Krankheiten des Knochens und die verbundene Frakturen verursachen signifikante Morbidität und Mortalität in der älteren Bevölkerung. Sie stellen ein wichtiges und wachsendes Problem für die westlichen Gesundheitssystemen dar, dass gelöst werden muss. Während der Effekt des Verlustes von kompaktem und spongiösem Knochen auf die Festigkeit immer besser verstanden wird, bleiben die Konsequenzen der Änderung des Umbauprozesses sowie der Einfluss von Medikamenten auf die mechanischen Eigenschaften der Knochenmatrix unschlüssig. In diesem Umfeld, war das Ziel des Projektes die Beziehung zwischen morphologische und mikromechanische Eigenschaften des lamellaren Knochens zu modellieren und zu quantifizieren. Aus der experimentellen Sicht, wurde eine neue quantitative Polarisationsmikroskopie Technik für die Bestimmung der Orientierung der Kollagenfasern in Dünnschnitten von mineralisierten Geweben entwickelt. Diese Technik wurde mit quantitativer Rasterelektronenmikroskopie und Nanoindentation in verschiedenen morphologischen Ebenen kombiniert um die respektive Rolle der Faserorientierung und Mineralisierung, auf die elastischen Eigenschaften solchen Geweben zu untersuchen. Auf Seite der Modellierung, wurde mit Hilfe von Mean-Field und Einheitszellenmethoden ein Homogenisierungsschema entwickelt um den vollständigen Steifigkeitstensor des menschlichen Knochens von der unidirektionalen Sublamelle bis zu verschiedenen lamellaren Architekturen die in der Literatur beschrieben wurden. Folgend der Komplexität der lamellaren Architektur in menschlichen Knochen, wurden die experimentellen und numerischen Methodologie zuerst auf mineralisierte Truthahnbeinsehne angewendet, die den Vorteil hat eine unidirektionale Kollagenfaserorientierung zu haben. Eine unerwartete zweiphasige Morphologie der Truthahnbeinsehne mit unterschiedlichen Mineralisierung und Kollagenfaserdichte wurde entdeckt, charakterisiert und modelliert. Das höchste Ausmaß an Anisotropie wurde gemessen und die Ergebnisse der numerischen Methoden konnten mit makroskopischen Zugsprüftests validiert werden. Im Gegensatz zu der klassischen Trennung zwischen longitudinale, wechselnd und umlaufende Typen, wurde eine relative homogene lamellare Anisotropie in menschlichem Femurknochen beobachtet, die einer spiraligen Laufbahn mit einem Winkel von etwa 10 der Kollagenfasern entspricht. Folgend dessen kleinen physiologischen Variationen, konnten Mineralisierung und die durchschnittliche Kollagenfaserorientierung die substantielle Variabilität der Indentationseigenschaften in der transversale Ebene von Osteonen nicht erklärt werden. Diese sind der schwankenden Porosität auf der Nanometer Skala zurückzuführen. Abschließend, wurden neue Methoden für die Untersuchung der Mikromechanik von lamellaren Knochen erfolgreich entwickelt und an die Truthahnbeinsehne sowie an menschlichen osteonalen Knochen angewendet.