Titelaufnahme

Titel
Mechanobiological origins of bone porosity and elasticity: an experimental and computational multiscale approach / von Dipl.-Ing. Maria-Ioana Pastrama
Weitere Titel
Mechanobiologische Herkunft der Knochen-Porosität und -Elastizität: ein experimenteller und computergestützter Mehrskalen-Ansatz
VerfasserPastrama, Maria-Ioana
Begutachter / BegutachterinHellmich, Christian ; Thurner, Philipp J.
ErschienenWien, November 2016
Umfang237 Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Knochen-Porosität
Schlagwörter (EN)bone porosity
Schlagwörter (GND)Knochen / Porosität / Elastizität / Biomechanik / Mehrskalenmodell
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-91469 Persistent Identifier (URN)
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Mechanobiological origins of bone porosity and elasticity: an experimental and computational multiscale approach [15.06 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Knochen-Mechanobiologie umfasst alle Prozesse, bei denen Knochen durch die Aktivität von Zellen oder biochemischen Faktoren eine mechanische Belastung erfahren. In diesem Sinne ist die Lastübertragung von makroskopischer zu zellulärer Ebene von hierarchischen Knochen-Interaktionen, sowie von mechanischen Eigenschaften geleitet; dabei spielen die Elastizität und die Porosität eine wesentliche Rolle. In dieser Arbeit werden diese beiden Eigenschaften (kurz erläutert in Kapitel 1), ihre gegenseitige Abhängigkeit, sowie ihre Zusammenhänge mit Knochen-Mechanobiologie durch Experimente und computergestützte Simulationen untersucht. Beide Vorgehen basieren auf der Theorie der mehrskaligen Kontinuums-(Poro)Mikromechanik, einem wesentlichen Ansatz bei der Untersuchung von mehrskaligen, hierarchisch strukturierten Materialien wie Knochen. In Kapitel 2 wird ein mehrskaliges mathematisches Modell für die Simulation von Knochenremodellierung vorgestellt, das die Porosität-spezifischen Prozesse und Zusammenhänge zwischen Zellen, biochemischen Faktoren und mechanischen Belastungen beschreibt, die auf Ebene der vaskularen Poren und Lakunen stattfinden. Die mechanischen Stimuli, die auf die in Knochen-Remodellierung involvierten Zellen wirken, werden als hydrostatische Porendrücke quantifiziert, und von der makroskopischen Belastung mit Hilfe einer kontinuums-(poro)mikromechanischen Darstellung von Knochen berechnet. Das Modell wird anschließend quantitativ und qualitativ mit auf Literatur basierenden experimentellen Werten validiert, die den Einfluss von unterschiedlichen mechanischen Belastungsbedingungen auf Knochenadaptierung für verschiedenartige Tierspezies belegen. Die Kapitel 3 und 4 behandeln die Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Knochengewebe mittels einer neuen Methode, die - basierend auf dem Konzept der statistischen Nanoindentation und einem evolutionären Algorithmus - zwischen beschädigten und unbeschädigten Materialphasen unterscheiden kann - oder, im Allgemeinen, zwischen Indents, bei denen die Theorie des elastisches Halbraums gültig oder ungültig (z.B. aufgrund existierender oder neugebildeter Mikrorisse) ist. In Kapitel 3 wird der Elastizitätsmodul von unbeschädigtem menschlichem Femur auf extrazellulärer Ebene bestimmt und an verschiedenen anatomischen Positionen und Belastungsrichtungen verglichen. Die Unterschiede in Steifigkeit zwischen Endost und Periost, sowie zwischen belasteten und unbelasteten Regionen werden untersucht. In Kapitel 4 wird der Elastizitätsmodul von intaktem Rinder-Femur auf extrazellulärer Ebene ermittelt. In beiden Kapiteln wird die Hypothese, dass Nanoindentations Tests auch Elastizitätswerte von beschädigtem Material liefern, durch Abbildung von Mikrorissen mit einem Scanning Electron Microscope (SEM) untersucht. Schlussendlich werden in den Kapiteln 5 and 6 experimentelle Methoden zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von keramischen Materialien für die Produktion von Tissue Engineering Knochengerüsten, Baghdadite (Ca3ZrSi2O9) und Bioglass®, angewandt. Idealerweise sollten diese Gerüste die Eigenschaften von Knochen so genau wie möglich reproduzieren. Für Baghdadite zeigten mit Knochenzellen besetzte Gerüste in vivo gute biologische Eigenschaften, jedoch sind ihre mechanischen Eigenschaften kaum erforscht. In Kapitel 5 wird die Elastizität von Baghdadite unterschiedlicher Porosität mit statistischer Nanoindentation und Ultraschall- Tests charakterisiert. Für Bioglass® Gerüste wurden bereits mechanische Eigenschaften gemessen; diese müssen jedoch verbessert werden, um den Eigenschaften von trabekulärem Knochen möglichst genau zu entsprechen. Die Studie in Kapitel 6 untersucht, wie die Steifigkeit dieser Gerüste durch verschiedene Polymer- Beschichtungen mittels mehrskaliger Ultraschall-Nanoindentations-Messungen verbessert werden kann.

Zusammenfassung (Englisch)

Bone mechanobiology comprises all the processes by which bones 'sense' and 'react on' mechanical loading, through the corresponding activity of biological cells and biochemical factors. In this context, the transfer of mechanical loads from the macroscopic scale down to the cellular level is governed by the hierarchical interaction of bone, as well as its mechanical properties; thereby, elasticity and porosity play a particularly eminent role. The latter two quantities, shortly reviewed in Chapter 1, as well as the interdependencies of these properties and their relationship with bone mechanobiology are investigated in the present thesis, by means of experiments and computer simulations. Notably, both approaches are guided by the concept of multiscale continuum (poro)micromechanics, an essential theoretical framework when dealing with a multiscale, hierarchically structured material such as bone. In Chapter 2, a multiscale mathematical model for simulation of bone remodeling is presented, describing the porosity-specific processes and relationships between bone cells, biochemical factors, and mechanical loads occuring at the level of the vascular and lacunar pores. Particularly, the mechanical stimuli acting on the bone cells involved in bone remodeling are quantified in terms of hydrostatic pore pressures, estimated from the macroscopic loading by means of a continuum (poro)micromechanics representation of bone. The model is then validated quantitatively and qualitatively with experimental data from literature, showing the infuence of different mechanical loading conditions on bone adaptation for various animal species. Chapters 3 and 4 deal with determination of the elastic modulus of bone by means of a new method which, based on the concept of statistical nanoindentation and an evolutionary algorithm, can distinguish between damaged and undamaged material phases - or, more generally, between indents where the elastic half space theory applies, or not (e.g., due to the presence or initiation of microcracks). More precisely, in Chapter 3, the elastic modulus of undamaged, cortical bone, at the scale of the extracellular matrix, is determined throughout different plane sections through the midshaft of a human femur, and the differences in stiffness between endosteal and periosteal regions, as well as between loaded and not loaded areas are investigated. In Chapter 4, Young-s modulus of intact bovine extracellular femur bone is investigated. In both chapters, the hypothesis that nanoindentation testing may also deliver elasticity values related to damaged material is checked, by imaging microcracks with a Scanning Electron Microscope (SEM). Finally, in Chapters 5 and 6, experimental methods are employed for determination of the mechanical properties of ceramic materials for bone tissue engineering scaffold production, namely baghdadite (Ca3ZrSi2O9) and Bioglass®. Ideally, such scaffolds should reproduce the properties of bone as closely as possible. In the case of baghdadite, scaffolds seeded with bone cells have shown good biological properties in vivo, but research on their mechanical properties are scarce. In Chapter 5, by means of statistical nanoindentation combined with ultrasonic tests, the elasticity of porous baghdadite is characterized across a wide range of material porosities. In the case of Bioglass® scaffolds, mechanical properties have been measured before, and require improvement in order to come close to those of trabecular bone. The study in Chapter 6 investigates, by means of multiscale ultrasound-nanoindentation measurements, the possibilities of enhancing the stiffness of these scaffolds by coating them with various types of polymers.