Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut de génie biomédical IGBM

Mechanical characterization of bone from the tissue down to the lamellar level by means of nanoindentation

Hengsberger, Stefan ; Zysset, Philippe (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2538.

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    Summary
    Osteoporosis has become an important health and economic problem of our aging western society. This metabolic illness leads to a net bone loss and to a deterioration of trabecular architecture. Motivated by the fact that osteoporosis may also result in a degradation of intrinsic tissue quality this thesis focuses on the micro- and nanomechanical properties of human, bovine and rat bone. For the first time, to the best of our knowledge, mechanical properties of single bone lamellae are tested under dry and physiological conditions. Stable thermal equilibrium conditions can be achieved for the latter that allow for tests at body temperature and under fully wet conditions. This study represents a first step towards extension of knowledge of the structure-function relationships down to the lamellar level. Adjacent thin and thick lamellae of the same bone structural unit (BSU) are significantly different in terms of hardness and indentation modulus. The two types of lamellae show a significantly different increase of mechanical properties when the water content is removed by drying. In this context morphological models are employed to discuss the mechanical properties (bone lamellation theory). The BSU is found to be the basic bone component with individual morphological and also mechanical properties. Significant differences are seen between BSU of osteonal, trabecular and interstitial microstructures dissected from the human femoral neck. Human interstitial and bovine plexiform bone do not show a significantly different indentation modulus. Depth-dependent indentation measurements, which are done for this purpose, further extend our current knowledge of the technique. Structure-function relationships are investigated on the BSU-level by applying two morphological and two mechanical techniques on identical BSUs of two donors. The dependence of the mechanical properties on the mineral content (as measured by microradiography) and the orientation of the collagen fibers (as measured by polarized light microscopy) are investigated. The reported correlations between macroscopic mechanical properties and these morphological parameters are not generally confirmed on the BSU-level by the nanoindentation data of this two-case study. The indentation modulus is validated by a comparison with a traction experiment of a bovine bone microspecimen. This experiment raises confidence in the absolute value of this elastic parameter. The influence of the material anisotropy on the measured indentation modulus is determined for bovine cortical bone. As a first step to apply the nanomechanical tool in the context of preclinical studies, a set of rat vertebrae were tested. Given the small number of specimens, this study does not show a general significance of low protein diet, ovariectomy and essential aminoacids on intrinsic tissue properties. This thesis proposes further nanoindentation studies on bone tissue for future work. It is expected that relationships between nanomechanical properties and the degree of damage accumulation of aging and/or osteoporotic tissue can be established. This can contribute to development of new strategies aiming at improving tissue quality.
    Zusammenfassung
    Osteoporose wird zunehmend zu einem gewichtigen gesundheitlichen sowie ökonomischen Problem unserer alternden westlichen Gesellschaft. Diese Stoffwechselkrankheit führt zu einem Verlust der Knochenmasse und einer Degradierung der Architektur der Spongiosa. Die Tatsache, daß Osteoporose zusätzlich zu einer Reduktion der Qualität des Knochengewebes führen könnte, motivierte diese Doktorarbeit, welche auf dessen mikro- sowie nanomechanischen Eigenschaften zielt. Hierfür werden menschliches Gewebe sowie Proben der Kuh,- und Rattenkompakta untersucht. Unseren Kenntnissen nach werden zum ersten mal mechanische Eigenschaften einzelner Knochenlamellen unter trockenen sowie physiologischen Konditionen getestet. Für letztere werden stabile thermische Bedingungen erreicht, die Tests von vollständig in Flüssigkeit eingetauchten Knochenproben bei Körpertemperatur gestatten. Diese Studie soll als erster Schritt zur Erweiterung unserer Kenntnisse, wie die Struktur und die Funktion des Knochengewebes auf lamellarer Ebene zusammenhängen, verstanden werden. Angrenzende dünne und dicke Lamellen innerhalb der selben strukturellen Einheit (BSU) zeigen signifikante Unterschiede bezüglich der Härte und des elastischen Indentationsmodules. Diese zwei Klassen von Knochenlamellen zeigen ebenfalls eine unterschiedliche Änderung der mechanischen Eigenschaften, wenn der Wasseranteil ausgetrocknet wird. Die Nanomechanik der Knochenlamellen werden im Rahmen von bereits bekannten morphologischen Modellen ("Theorie der Knochenlamellation") diskutiert. Die BSU wird als Basiseinheit des Knochens vorgeschlagen, da neben individuellen morphologischen auch individuelle mechanische Eigenschaften festgestellt werden. Signifikante Unterschiede werden zwischen BSUs der osteonalen, trabekularen und interstitiellen Mikrostruktur des menschlichen Oberschenkelhalses aufgezeigt. Der elastische Indentationsmodul von menschlichem interstitiellen und plexiformen Gewebe einer Kuhkompakta sind hingegen nicht unterschiedlich. Tiefenabhängige Indentationsmessungen, die in diesem Rahmen gemacht werden, tragen zu einem vertieften Vertändnis der Technik bei. Die Beziehung zwischen der Struktur und der Funktion werden auf dem Niveau der BSU untersucht. Zwei morphologische und zwei mechanische Charakterisierungstechniken werden auf ein identisches Kollektiv von BSUs zweier Spender angewendet. Die mechanischen Eigenschaften werden in Abhängigkeit vom Mineralisierungsgrad (bestimmt mittels Mikroradiographie) sowie der Orientierung der Kollagenketten (ermittelt durch Polarisationsmikroskopie) untersucht. Korrelationen, die zwischen den makroskopischen mechanischen Eigenschaften und diesen morphologischen Größen gefunden wurden, werden im Rahmen dieser Zweifallstudie nicht für den BSU-Level bestätigt. Der Indentationsmodul wird mittels eines Vergleiches mit einem Traktionstest einer Mikroprobe eines Kuhknochens validiert. Diese Studie weckt Vertrauen in den absoluten Wert dieses elastischen Parameters. In diesem Zusammenhang wird auch der Einfluß der Anisotropie der Kuhkompakta auf den gemessenen Indentationsmodul ermittelt. In einem ersten Schritt, diese nanomechanische Charakterisierungsmethode im Rahmen einer präklinischen Studie anzuwenden, wird ein Kollektiv von Rattenwirbelkörpern gemessen. Diese Studie, die sich auf eine eventuell zu niedrige Zahl an Tieren stützt, zeigt keinen generellen Einfluß der zugrundeliegenden Behandlung. Weder eine operative Entnahme der Gebährmutter in Verbindung mit einer geringen Aufnahme an Eiweissen noch eine Behandlung mit essentiellen Aminosäuren zeigen eine globale Beeinflussung der intrinsischen Gewebeeigenschaften. Diese Doktorarbeit motiviert, die bisherigen Kenntnisse bezüglich der intrinsischen Eigenschaften des Knochengewebes durch weitere Nanoindentationsstudien zu erweitern. Es wird erwartet, daß Zusammenhänge zwischen den nanomechanischen Parametern und dem Beschädigungsgrad von alterndem und/oder osteoporotischem Gewebe gefunden wird. Dies kann einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung neuer Strategien, um die Qualität des Knochengewebes zu verbessern, leisten.