Year: 2011
Type: dissertation
Abstract: Ein detailliertes Verstaendnis der Morphologie und Mikromechanik von Knochen ist wichtig bei der Vorhersage und Behandlung von Knochen- Stoffwechselkrankheiten, wie Osteoporose - eine Krankheit, die hohe Morbiditaet und Mortalitaet bei der aelteren Bevoelkerung hervorruft. In dieser Arbeit werden umfassende experimentelle und theoretische Anstrengungen unternommen, um ein besseres Verstaendnis der Struktur-Funktions-Beziehungen von mineralisierten Sehnen und lamellare Knochen zu erreichen. Mineralisierte Truthahnbeinsehne (MTLT) wurde in der Studie als mechanisches Ersatzmodell für mineralisierte Kollagenfasern von Knochen verwendet. Quantitative Rueckstreuungs-Elektronenmikroskopie (qBEI) und Lichtmikroskopieaufnahmen ergaben zwei Morphologiezonen in diesem Gewebe. Die Zonen unterschieden sich hinsichtlich der Mineralisierung, des Anteils der organischen Phase, der Groesse der mineralisierten Fasern und der Mikroporositaet. Ein mikromechanisches Modell wurde zur Vorhersage der Indentationssteifigkeit eingesetzt, welche mit der Gemessenen verglichen werden konnte. Dieser Vergleich erlaubte eine indirekte Bestimmung der Verteilung des Minerals zwischen den Kollagenfibrillen und der extra-fibrilaeren Matrix. Der Einfluss der Indentationstiefe auf die gemessene Indentationsteifigkeit wurde mit MTLT-Gewebe untersucht und fuer mineralisiertes Gewebe verallgemeinert. Die Messungen wurden in getrocknetem und rehydriertem Zustand durchgefuehrt. Einblicke in die elastische Anisotropie der unidirektional orientierten mineralisierten Fasern in unterschiedlichen Umgebungsbedingungen wurden gewonnen. Zusaetzlich wurde eine Untersuchung der Multiskalensteifigkeit durchgefuehrt. Auf der Makroebene wurde die Steifigkeit mit einem einachsigen Zugversuch gemessen und mit den Ergebnissen eines passenden Mikro-Finite-Elemente-Modells verglichen. Die gleichen Proben wurden auch auf der Mikroskala getestet. Der experimentell ermittelte Indentationsmodul wured mit einem, mittels eines Modells errechneten, Indentationsmodul verglichen. Die numerische Vorhersage basierte auf morphologischen Parametern, die exakt an den Indentationstellen ermittelt wurden. Da die Anordnung der Kollagenfasern in Knochen komplex und noch nicht vollstaendig verstanden ist, wurde eine Technik entwickelt um die durchschnittliche Kollagenanordnung quantitativ zu erfassen. Die Technik verwendet zirkular polarisiertes Licht und wurde auf den unidirektionalen MTLT Proben kalibriert. So konnten quantitative Daten, normiert auf Probendicke und Wellenlaenge des Lichts, gewonnen werden. Diese Methode zur Messung der Kollagenanordnung - die quantitative Polarisationsmikroskopie (qPLM) - wurde auf Osteonen aus dem menschlichen Femurschaft angewandt, zusammen mit einer Messung der Mineralisierung (qBEI) und des Indentationsmoduls an exakt uebereinstimmenden Messorten. Mit Hilfe der qPLM und qBEI Daten wurde mit dem mikromechanischen Modell ein numerischer Indentatonsmodul errechnet und mit dem Gemessenen verglichen. Eine schwache Korrelation zwischen dem gemessenen und vorhergesagten Modul zeigte, dass zusaetzliche Faktoren, welche die Gewebesteifigkeit beinflussen, wie Nanoporositaet, Kollagenvernetzung oder nicht-kollagene Proteine, beruecksichtigt werden muessten. Im Allgemeinen werden im Rahmen dieser Arbeit neue, hilfreiche Protokolle und Techniken zur Beurteilung der Struktur-Funktions-Beziehungen in Knochen entwickelt, um so ein besseres Verstaendnis der Elastizitaet von mineralisierten Geweben zu erreichen.
Source: reposiTUm (TU Wien)
Author: Ewa M. Spiesz
Language: English
Subfield: Orthopedics and Sports Medicine
Field: Medicine
Domain: Health Sciences
Open Access status: green
Funder: Austrian Science Fund
OpenAlex ID: W3118935433