Mechanical characterization of individual trabeculae

Abstract

Osteoporose ist die häufigste Knochenerkrankung, allerdings werden nur 60% der PatientInnen mit einem erhöhten Frakturrisiko korrekt identifiziert. Ein Hindernis ist, dass hauptsächlich die Knochenmenge (Knochenmasse) in die Osteoporoseklassifizierung einbezogen wird, während die Knochenqualität (Architektur und Materialeigenschaften) nicht berücksichtigt wird. Bei Alterung und Osteoporose kommt es zu einer Verschlechterung der Knochenarchitektur, während wenig über deren Effekt auf die Materialeigenschaften von trabekulären Knochen (Einzeltrabekel) bekannt ist. Zudem wurde gezeigt, dass antiresorptive Medikamente, die zur Osteoporosebehandlung verwendet werden, die mechanischen Eigenschaften von ganzen Knochen verbessern, aber deren Effekt auf die Materialeigenschaften ist unklar. Des Weiteren haben wenige frühere Studien vermuten lassen, dass Glykierung von trabekulärem Gewebe (welche natürlich bei Alterung und Diabetes vorkommt) eine Reduzierung der Gewebezähigkeit verursacht, wobei die Resultate wenig aussagekräftig waren. Generell waren vorherige Studien über die mikromechanischen Eigenschaften von Einzeltrabekeln aufgrund einer kleinen Probenanzahl und verschiedenen, nicht genau definierten Lastfällen und Tests in Luft, die das physiologische Verhalten nicht widerspiegeln können, limitiert. Folglich besteht ein großer Bedarf an einer gründlichen mechanischen Charakterisierung von Einzeltrabekeln. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein neuartiger Testaufbau entwickelt, um Trabekel in definierten monotonen, zyklischen, und Ermüdungsversuchen unter Zug, in feuchter Umgebung und mit hoher Durchsatzrate zu testen. Weiters wurde ein rheologisches Modell angewandt, um die elastischen, viskosen, plastischen und Versagensmerkmale von Trabekeln in einem einzelnen Experiment zu bestimmen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden diese Methoden verwendet um die Effekte von Hydrierung, Osteoporose, antiresorptiver Behandlung und Glykierung auf die apparenten mechanischen und Materialeigenschaften zu bestimmen. Ein zentrales Ergebnis der zyklischen Tests war, dass trabekuläres Knochengewebe nicht adäquat als linear-elastisch beschrieben werden kann, sondern ein elastisch-viskoses plastisches Material ist. Dehydrierung von Rindertrabekeln führte zu einer 2-fachenErhöhung des Zugmoduls und der Festigkeit, sowie zu einer 3-fachen Abnahme der Zähigkeit. Infolge dessen sind zuvor bestimmte Materialeigenschaften in Luft, die trabekuläres Knochengewebe als linear-elastisch annahmen, nicht zuverlässig. Unerwartet war, dass die mechanischen und Materialeigenschaften menschlicher Trabekel nicht signifikant von Osteoporose oder Alterung betroffen sind. Allerdings war die Knochenarchitektur unter beiden Bedingungen verschlechtert. Daher gibt es momentan keinen Grund bei Computersimulationen, wie FE Analysen, eine Anpassung der verwendeten Materialeigenschaften aufgrund von Alterung oder Osteoporose vorzunehmen, um das Frakturrisiko im Femurkopf zu berechnen. Im Gegensatz dazu zeigte die Behandlung von Hunden mit Alendronat eine signifikante Erhöhung von Zugmodul und Festigkeit, verbunden mit einer signifikant erhöhten Mineralisierungsdichte. Außerdem resultierte die Behandlung mit Raloxifen in einer signifikant erhöhten Zähigkeit. Somit kann die verbesserte Mechanik von ganzen Knochen teilweise auf verbesserte Materialeigenschaften zurückgeführt werden, wobei hier verschiedene Mechanismen zwischen den Medikamenten verantwortlich sind. In vitro Glykierung von Rindertrabekeln zeigte einen erhöhten dynamischen Zug und Sekanten-Modul. Jedoch konnten aufgrund der begrenzten Stichprobengröße (15 Proben gesamt) noch keine endgültigen Schlussfolgerungen gezogen werden. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit hervorgehoben, dass trabekulärer Knochen als elastisch-viskoses-plastisches Material beschrieben werden muss. Die Modellierung von trabekulärem Knochengewebe des humanen Femurkopfes kann unabhängig von Alterung oder Osteoporose erfolgen, wie z.B. in FE Analysen zur Vorhersage des Frakturrisikos. Die verbesserten mechanischen Eigenschaften von ganzen Knochen nach antiresorptiver Behandlung sind zumindest zum Teil auf verbesserte Materialeigenschaften zurückzuführen. Die präsentierten Ergebnisse werden sowohl zu einer besseren Vorhersage des Frakturrisikos, als auch zu einem tieferen Verständnis des Einflusses der Knochenqualität auf die gesamte Knochenmechanik beitragen.

Osteoporosis is the most common bone disease, however, only 60% of patients with an increased fracture risk are correctly identified. Hereby, a major limitation is that mainly bone quantity (bone mass) is used for osteoporosis classification, where as bone quality (bone architecture and material properties) is usually neglected. While bone architecture has already been shown to be deteriorated in aging and osteoporosis, much less is known about potential changes of the material properties of trabecular bone tissue (individual trabeculae). Similarly, anti-resorptive drugs, used for osteoporosis treatment, have been shown to improve the mechanical properties of whole bones, but their effect on the material properties remains elusive. Further, a few previous studies supposed that glycation of trabecular bone (occurring naturally with aging or in diabetes) causes a decrease of tissue toughness, but the found effects were weak. In general, previous studies on micro-mechanical experiments of individual trabeculae were limited by testing only a small number of samples in different, not well-defined loading scenarios mainly in air, which cannot reflect the physiological tissue behavior. Taken together, there is a strong need to perform a thorough mechanical characterization of individual trabeculae. In the first part of this thesis a novel test set-up was developed to characterize individual trabeculae in defined monotonic, cyclic, and fatigue tensile tests in a wet environment at a high throughput rate. Further, a rheological model was applied to gain elastic, viscous, plastic, and failure properties of individual trabeculae in one single experiment. In the second part, these procedures were used to determine the effects of hydration,osteoporosis, anti-resorptive treatment, and glycation on the apparent mechanical and material properties. A key finding of the cyclic loading experiments was that trabecular bone tissue cannot be modeled properly as a linear-elastic material, as it demonstrates an elasto-visco-plastic behavior. Dehydration of individual bovine trabeculae indicated a 2-fold increase of tensile modulus and strength, accompanied with 3-fold decrease of toughness. As a consequence, previously determined material properties in air, that considered trabecular bone tissue as linear-elastic,are not reliable. Interestingly, apparent mechanical and material properties of individual human trabeculae from the femoral head were not significantly affected by osteoporosis or aging. In contrast, trabecular architecture was deteriorated in both conditions. Therefore, there is currently no need for computer simulations, such as Finite Element (FE) analysis, to adapt the input material properties due to aging or osteoporosis to predict fracture risk, at least in the femoral head. In contrast, anti-resorptive treatment of beagle dogs with alendronate (a bisphosphonate) resulted in a significantly larger tensile modulus and ultimate stress, associated with a significantly larger Tissue Mineral Density (TMD). Further, anti-resorptive treatment with raloxifene (a selective estrogen receptor modulator) caused a significantly larger toughness. Hence, improved whole bone mechanics is partially related to enhanced material properties, but the underlying mechanisms are distinct between different drugs. In vitro glycation of individual bovine trabeculae indicated an increased dynamic modulus and secant modulus. However, because of a limited sample size (15 in total), no final conclusions could be drawn so far. In conclusion, this thesis highlighted that trabecular bone tissue has to be modeled as an elasto-visco-plastic material. Hereby, the results reported in this thesis suggest that modeling of trabecular bone tissue in the human femoral head can be performed independently from aging or osteoporosis, such as in FE analysis for prediction of fracture risk. The improved whole bone mechanics after anti-resorptive treatment is at least partly caused by improved material properties. The presented findings will contribute to a better fracture risk prediction and a more profound understanding of the influence of bone quality on whole bone mechanics.