Title: Mechanical anisotropy of human vertebral bone measured by the means of microindentation with special focus on osteophyte structures
Language: English
Authors: Karl, Christoph 
Qualification level: Diploma
Keywords: menschliche Wirbelknochen; kortikaler Knochen; spongiöser Knochen; Mikro-Eindrückversuch; Anisotropie; Osteophyten
human vertebra; cortical bone; trabecular bone; microindentation; anisotropy; Osteophytes
Advisor: Pahr, Dieter 
Assisting Advisor: Zysset, Philippe K.
Issue Date: 2013
Number of Pages: 64
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Das anisotrope Materialverhalten von menschlichen Wirbelknochen ist vielbeschriebenes Thema in der aktuellen Literatur, die exakte Bestimmung der Materialkennwerte wird aber heftig diskutiert. Zusätzlich zeigen die meisten der Knochenspender über 50 abnormale knöcherne Wucherungen (Osteophyten genannt) deren mechanische Eigenschaften noch unerforscht sind. Deshalb wurde diese Arbeit zur Erweiterung einer existierende Datenbank konzipiert, welche Materialkennwerte (E-Modul Ei und Härte HV) von Gewebebestandteilen der Wirbelknochen sammelt, um daraus den Grad der Anisotropie von menschlichen Wirbeln und die mechanischen Eigenschaften von Osteophyten, mittels Mikro-Eindrückversuch zu bestimmen.
Eindrückversuche sind experimentelle Verfahren bei denen eine harte Spitze (meistens eine Diamantpyramide) in das zu testende Material gedrückt wird und dabei ständig die Kraft (P) und die Eindringtiefe (h) gemessen wird. Ein Messzyklus (Belasten und Entlasten) führt zum sogenannten Kraft-Längen-Diagramm aus welchem der E-Modul, die Härte und noch weitere Materialkennwerte abgeleitet werden können. Werden aber die Abmessungen aller Bestandteile stark verkleinert (z.B. maximale Eindringtiefe 2500nm) wird dieses Verfahren Mikro-Eindrückversuch genannt.
Solche Versuche sind weit verbreitet um die Materialkennwerte von Knochen zu bestimmen. Werden solche Tests in bestimmten Richtungen durchgeführt, kann auf die anisotropen Eigenschaften des Materials geschlossen werden. Alle vier Lendenwirbel die in dieser Arbeit untersucht wurden, wurden nach einer gründlichen Entfernung allen Weichteilgewebes, mit einer Bandsäge mit Diamantblatt in fünf Scheiben, normal auf die Zylinderachse des Wirbelkörpers, zerschnitten. Im Anschluss an diese grobe Unterteilung wurden die fünf Scheiben mit dem Skalpell in elf Proben für Tests der kortikalen Schale, der Spongiosa und der kortikalen Deckplatten in verschiedenen Richtungen zerteilt. Weiters wurden noch fünf zusätzliche Wirbel genauso vorbereitet, wobei diese große Osteophyten aufwiesen, welche ebenfalls mittels Mikro-Eindrückversuch untersucht wurden um die mechanischen Eigenschaften solcher knöchernen Strukturen zu untersuchen. Dabei wurden verschiedene Teilregionen in axialer Richtung getestet. Für jede Probe wurden ca. 30 Mikro-Eindrücke durchgeführt und somit eine Gesamtanzahl von 2405 Mikro-Eindrückversuchen durchgeführt (630 dieser Versuche entfielen auf Osteophyten).
Die Daten dieser und der vorangegangenen Studie wurden gemeinsam statistisch analysiert und mit Werten aus der Literatur verglichen.
Für die getesteten Osteophyt-Proben kann vorläufig gesagt werden, dass die Festigkeit und Härte vom äußeren Rand zur Spongiosa im Wirbelkörperinneren hin abnimmt. Mit Ausnahme einer "Wachstumszone", welche während der mikroskopischen Analyse in der Mitte des Osteophyten entdeckt wurde, welche höhere Festigkeit und Härtewerte aufweist. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass dieses Gebiet, als Ursprung des Wachstums der knöchernen Struktur, höhere Mineralkonzentrationen aufweist

The anisotropic behavior of human vertebral bone is postulated all over the literature, but the quantification of it is still debated.
Moreover, most of the vertebrae of patients older than 50 years present abnormal calcifications (called osteophytes) with unknown mechanical properties. Therefore, the present study was meant to expand an existing database of vertebral mechanical properties at tissue level measured by means of microindentation (indentation modulus Ei and hardness HV) to evaluate the degree of anisotropy in the human vertebral body and to better understand the mechanical properties of osteophytes.
Indentation is an experimental technique where a hard tip (usually made of black diamond) penetrates the tested material under continuous measurement of the load (P) and the penetration depth (h). A complete measuring cycle (loading and unloading) leads to a full load-displacement-curve from which the indentation modulus, the hardness and other mechanical material parameters can be calculated. This technique has been already used extensively to determine the mechanical properties of bone. Moreover, if indentations are performed in different directions, it can be used to evaluate its anisotropic behavior.
In this study four vertebral bodies were cleaned from the soft tissue and were cut with a diamond coated band saw in five slices perpendicular to the vertical body axis. Afterwards, the five slices were cut into eleven samples for indentation of the cortical shell, cortical endplates and trabecular bone in different directions. In addition five large osteophytes isolated from five human vertebrae were prepared for microindentation to better characterize the mechanical properties of such calcifications; different sub-regions of each osteophyte were indented along the axial direction. Approximately 30 indentations were performed on each sample, which provided a total number of 2405 indentations (630 of these indentations on osteophytes).
All the indentation data from this study and the existing data were pooled, statistically analyzed and compared with the results found in the literature.
The preliminary results from the tested osteophytes show that their tissue properties (Ei and HV) seem to decrease from the outer perimeter to the middle. However, a 'growth zone' visible from the microscopy analysis in the middle of the osteophytes showed significantly higher values. This result would support the hypothesis that this area, being the source of the expansion of the osteophyte, is hyper-mineralized.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-76634
http://hdl.handle.net/20.500.12708/14460
Library ID: AC10775321
Organisation: E317 - Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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