Title: Computational analysis of mechanical loading in mouse models of bone adaptation
Language: English
Authors: Vallaster, Paul 
Keywords: Computergestützte Analyse; Knochenadaptionsmodellen von Mäusen
Computational Analysis; Mouse Models of Bone Adaptation
Advisor: Scheiner, Stefan 
Issue Date: 2019
Number of Pages: 135
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Knochengewebe passt sich an seine mechanische Umgebung an. Dies geschieht mittels Knochengewebeformation und -resorption. Ein besseres Verständnis dieser Knochengewebe( re)modellierung könnte zu besserem Verständnis von Krankheiten und gezielteren Behandlungen führen. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von statischer und dynamischer Belastung auf die lokale Knochen(re)modellierung zu untersuchen. Hierzu wurde der sechste Schwanzwirbel von 15 Wochen alten, weiblichen Mäusen in vivo mittels einer axialen Druckvorrichtung 4 Wochen lang belastet. Die Studie umfasste fünf Gruppen: scheinbelastet, statisch belastet, dynamisch belastet mit den Frequenzen 2 Hz, 5 Hz und 10 Hz. Die Knochenadaption wurde mittels in vivo Mikro-CT gemessen. Morphometrische Parameter der Knochen wurden berechnet, um eine mögliche Frequenzabhängigkeit der Knochenadaption zu analysieren. Mechanische Größen (Verzerrungsenergiedichte und deren Gradient), welche als Maß für direkte, mechanische Belastung an Osteozyten betrachtet werden, wurden mit lokalem Knochen(re)modellierungsverhalten korreliert. Poromikromechanische Modelle wurden angewendet, um den Porendruck in den Lakunen und den Flüssigkeitsstrom in den Canaliculi zu untersuchen. Die morphometrischen Parameter zeigten eine signifikant größere Adaption in den dynamisch belasteten Gruppen. Diese Ergebnisse deuten auf einen logarithmischen Zusammenhang zwischen Belastungsfrequenz und Knochenadaption hin. Höhere Werte der Verzerrungsenergiedichte und deren Gradienten führten zu einer erhöhten Formations- und verminderten Resorptionswahrscheinlichkeit. Trabekulärer und kortikaler Knochen zeigen leicht unterschiedliche Ansprechverhalten auf. Der ermittelte Porendruck in den Lakunen war größer als der hydrostatische Druck, der bekanntermaßen Knochenzellen stimuliert. Die berechneten Fließgeschwindigkeiten in den Canaliculi betrugen bis zu 120 m/s, waren jedoch nicht hoch genug um eigenständig Knochenzellen zu stimulieren. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass eine dynamische Belastung notwendig ist, um Knochenadaption hervorzurufen. Um Letztere zu maximieren, sollte die Belastungsfrequenz im Bereich von 510 Hz liegen. Selten auftretende, stoßartige Belastung mit hohen Verzerrungsraten, könnte ein wichtiger Bestandteil von Knochenadaption sein. Hohe Verzerrungsraten führen zu hoher, direkter mechanischer Belastung und großem Porendruck in den Lakunen, was sich beides positiv auf die Knochenadaption auswirkt.

Bone adapts to its mechanical environment by coupled (remodelling) and uncoupled (modelling) bone formation and resorption. A better understanding of bone (re)modelling could lead to insights into diseases and a more targeted disease treatment. The general objective of this thesis is to investigate the influence of static and dynamic mechanical loading on local bone (re)modelling behaviour. To that end, the sixth caudal vertebrae of 15-week-old female mice were loaded in vivo by means of an axial compression device over the course of 4 weeks. The study consisted of five groups, which diered in type of loading: sham-loaded, static loading, dynamic loading with 2 Hz, 5 Hz, and 10 Hz. Bone adaptation was measured with in vivo micro-CT scans. Trabecular and cortical bone regions were analysed independently. Bone morphometric parameters were computed to analyse a possible frequency dependency of bone adaptation. Mechanical quantities (strain energy density, SED, and its gradient), which are considered to be a measure of direct mechanical stress to an osteocyte, were correlated with local bone (re)modelling behaviour. Poromicromechanical models were applied to investigate lacunar pore pressure and canalicular fluid flow. Bone morphometric parameters showed significantly greater adaptation in the dynamicloading groups. These results suggest a logarithmic relation between loading frequency and bone adaptation. Greater SED and SED gradient values lead to an increase in formation and decrease in resorption probability. Trabecular and cortical bone show slightly dierent responses. The resulting lacunar pore pressure is greater than the hydrostatic pressure known to stimulate bone cells. The estimated canalicular fluid velocity is in the range of up to 120 m/s, but not great enough to stimulate bone cells by itself. The underlying theoretical concepts of pore pressure and fluid flow could be combined with viscoelastic material behaviour to further study frequency or strain rate dependency. In conclusion, it could be shown that dynamic loading is needed to induce bone adaptation.In order to maximize bone adaptation, a loading frequency from a certain range (510 Hz) is ideally applied. Infrequent impact loading with high strain rates could be a key component of bone adaptation. High strain rates cause greater direct mechanical strains and great lacunar pore pressure, which both influence bone adaptation positively.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-132394
http://hdl.handle.net/20.500.12708/1457
Library ID: AC15536917
Organisation: E202 - Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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