The effects of heterogeneous mineralization on the elastic and yield properties of human cancellous bone

Abstract

Aufgrund des kontinuierlichen Knochenumbaus sind die lokalen Materialeigenschaften von menschlichen trabekulären Knochen heterogen.<br />Da konventionelle hoch auflösende Computertomographen diese Heterogenitäten nicht im Detail erfassen, werden lokale Unterschiede in der Mineralisierung in Berechnungsmodellen üblicherweise vernachlässigt.<br />Das Ziel dieser Diplomarbeit war daher die Einflüsse von heterogener Mineralisation auf die elastischen- und Fließeigenschaften von menschlichen trabekulären Knochen zu ermitteln. Im Zuge dieser Arbeit wurden heterogene Mikro Finite Elemente (µFE) Modelle, die lokale Unterschiede im Mineralgehalt berücksichtigen, und homogene Modelle, die diese Heterogenitäten vernachlässigen, analysiert. Ein Vergleich der apparenten Steifigkeitstensoren beider Modelltypen zeigte, dass homogene Modelle die elastischen Eigenschaften im Mittel schwach, aber signifikant (p<0.05) um 2.18 ±0.78% überschätzten. Unterschiede in Fließeigenschaften wurden mithilfe von vollständig nichtlinearen homogenen und heterogenen µFE Modellen ermittelt. Die Berücksichtigung von lokalen Unterschieden im Mineralgehalt führte zu einer geringen, jedoch signifikanten Reduzierung der apparenten Fließspannung (2.91 ±1.89%, p<0.05) und zu einer nicht signifikanten Reduzierung der apparenten Fließdehnung (0.64 ±1.29%, p<0.05). Aus diesen Resultaten schließen wir, dass die heterogene Mineralisation nur einen geringen Einfluss auf die elastischen- und Fließeigenschaften von menschlichen trabekulären Knochen hat.<br />

At the tissue level, the local material properties of human cancellous bone are heterogeneous due to constant remodeling. Since standard high resolution CT scanning methods are unable to capture this heterogeneity in detail, local differences in mineralization are normally not incorporated in computational models. Therefore, the aim of this thesis was to determine the effects of heterogeneous mineral distribution on the apparent elastic and yield properties of human cancellous bone. Micro finite element (µFE) models which accounted for mineral heterogeneity were compared with homogeneous models which assumed uniform mechanical properties across all elements. Evaluation of the apparent stiffness tensor of both model types revealed that homogeneous models significantly (p<0.05) but moderately overestimated elastic properties by 2.18 ±0.78%. Differences in apparent yield properties were investigated by testing heterogeneous and homogeneous fully nonlinear µFE models in a variety of uniaxial and multiaxial loading conditions. As for elastic behavior, the influence of mineral heterogeneity on apparent yield properties was also shown to be minor.<br />Incorporation of local differences in mineralization led to small but significant changes in apparent yield stress (-2.91 ±1.89%, p<0.05) and non-significant changes in apparent yield strain (-0.64 ±1.29%, p<0.05).<br />Based on these results, we conclude that the heterogeneous mineralization only has a minor influence on the apparent elastic and yield properties of human cancellous bone.