Zusammensetzung und Mikromechanik von Knochen-Zementlinien

Gesundes Knochengewebe ist bruchfest. Diese Eigenschaft ist zu einem großen Teil auf die komplexe hierarchische Struktur des Knochens zurückzuführen, durch die eine Reihe Zähigkeitsmechanismen bereitgestellt werden. Einer solcher Mechanismen ist die Ablenkung von sich ausbreitenden Rissen entlang gekrümmter Grenzflächen, welche die Risse von der Hauptbruchrichtung ablenken und die ein Versagen des Knochens notwendige Risslänge vergrößern. Eben diese Grenzflächen werden als Zementschichten bezeichnet. Sie befinden sich am äußeren Rand von Osteonen, zylindrischen Strukturelementen im Knochen mit Durchmessern von einigen 100 m. Während der Effekt bekannt ist, wurden die mechanischen Eigenschaften der Zementschichten, die ihn ermöglichen, bis dato nicht systematisch untersucht und sind weitgehend unbekannt. Im Rahmen dieses Projekts werden wir moderne Technologien einsetzen, um die mechanischen Eigenschaften und die Zusammensetzung von Zementschichten zu bestimmen. Insbesondere wollen wir an Knochenproben jeweils sowohl deren Zusammensetzung sowie die mikromechanischen Eigenschaften bestimmen. Zu diesem Zweck werden wir Knochenmaterial aus dem Oberschenkelhals von menschlichen Spendern verwenden, die zuvor entweder gesund waren oder eine Oberschenkelhalsfraktur mit geringem Trauma (Osteoporose) erlitten haben. Auf diese Weise können wir sowohl Informationen über die mechanischen Eigenschaften der Zementschichten in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und ihrem Gewebe-Alter, als auch die Daten mit dem Alter, dem Gesundheitszustand und der Vorgeschichte der Spender korrelieren. Wir vermuten, dass sich die Zusammensetzung (und Mechanik) der Zementschichten mit dem Alter und dem Gesundheitszustand ändert. Daher werden wir auch versuchen präparierte Zementschichtproben sowie Modellsysteme in vitro zu modifizieren. Diese Proben werden dann ebenfalls charakterisiert um den Einfluss der Modifikationen auf die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Eigenschaften von Zementschichten noch sehr wenig erforscht sind, obwohl sie ein wichtiger Faktor für die Bruchfestigkeit von Knochen sind. Wir folgen einen innovativen Ansatz, um diese Lücke zu schließen und unser Verständnis der Knochenmechanik zu erweitern.