Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1387
Main Title: The Mechanobiology of diaphyseal secondary bone healing
Translated Title: Die Mechanobiologie der diaphysären sekundären Knochenheilung
Author(s): Epari, Devakara Rao
Advisor(s): Kraft, Marc
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Hauptbehandlungsmethode bei diaphysären Frakturen langer Knochen stellt eins als Schienung bekanntes Verfahren dar. Das Ausmaß der Fixationsstabilität beeinflusst bekanntlich das Heilungsergebnis. Knochenheilung erfolgt in der Regel durch Bildung von Knochenkallus. Die Kallusbildung wird durch Signalmoleküle initiiert, die in der Inflammationsphase freigegeben werden. Startpunkt dabei ist die Vereinigung und Differenzierung pluripotenter Mesenchymalzellen. Danach bildet sich Knochen durch eine kombinierte intramembranöse und endochondrale Ossifikation. Unklar bleibt jedoch, wie die Fixationstabilität und speziell die lokalen mechanischen Bedingungen die Geweberegeneration innerhalb des Kallus beeinflussen. Das Ziel dieser Arbeit ist daher, das Verständnis der Mechano-Biologie der Knochenheilung zu verbessern. Insbesondere soll die Gewebeantwort auf verschiedenen mechanischen Stimuli und Stimulationsamplituden analysiert werden. Die Gewebereaktionen auf mechanische Stimulation wurden in einem Osteotomiemodell zur Analyse der Frakturheilung unter definierten Bedingungen am Schaf untersucht. Histologische und histomorphometrische Techniken wurden verwendet, um die Änderungen in Kalluszusammensetzung und –Morphologie im Verlauf der Heilung zu charakterisieren. Zusätzlich wurde eine neue Technik zur Quantifizierung der Knochenqualität durch Ermittlung des Flächenträgheitsmomentes eingesetzt. Die mechanische Kompetenz des heilenden Kallus wurde durch in vitro Bestimmung deren Festigkeit und Steifigkeit evaluiert. Weiterhin wurden numerische Analysen durchgeführt, um die lokalen mechanischen Stimuli im Kallus während dessen Ausreifung abzuschätzen. Die histologisch beschriebene Gewebeverteilung wurde anschließend mit den lokalen mechanischen Bedingungen korreliert. Nach einer Osteosynthese mittels semi-rigider Fixation, gekennzeichnet durch größere interfragmentäre Bewegungen, führte zu einer niedrigen Steifigkeit nach sechs Wochen. Nach neun Wochen konnte keinen Unterschied in der mechanischen Kompetenz ermittelt werden. In der Gruppe mit rigider Fixation nahm der Gehalt fibrösen Gewebes früher ab, während länger anhaltende Knorpelanteile bei Tieren mit semi-rigider Fixationsversorgung beobachtet wurden. Unabhängig von der Fixationsstabilität war die Ausprägung des initial durch intramembranöse Ossifikation gebildeten Knochens vergleichbar. Die berechneten Flächenträgheitsmomente bestätigten die ausgeprägtere Kallusformation bei den Tieren mit semi-rigider Fixation nach sechs und neun Wochen. Die Analyse der mechanischen Bedingungen der Frakturheilung zeigte, dass nur mäßige axiale interfragmentäre Bewegungen erforderlich waren, um mechanische Stimuli vergleichbarer Größenordnung wie beim Vorliegen höherer, für die Heilung als kritisch angesehenen interfragmentären Scher- und Torsionsbewegungen hervorzurufen. Letztere Bewegungskomponenten verursachten lediglich deviatorische Dehnungen, während axiale Bewegungskomponenten zusätzlich ein hydrostatisches Spannungssignal sowie einen Flüssigkeitsstrom hervorriefen. Die Simulation in vivo ermittelter Bewegungen im Finite-Elemente-Modell führte bei beiden Osteosynthesevarianten in Regionen aktiver Knochenbildung initial zu geringen Unterschieden bezüglich mechanischen Stimuli. In der semi-rigiden Gruppe wurden im festen periostalen Kallus große Oberflächendehnungen zu einem Zeitpunkt ermittelt, der mit dem Begin der endochondralen Ossifikation gleichgestellt wird. In dieser Studie zur Knochenheilung zeigte sich die intramembranöse Ossifikation als in erster Linie abhängig von biologischen Faktoren und relativ unempfindlich gegenüber Fixationsstabilität. Eine verzögerte endochondrale Ossifikation ging mit einer verspäteten Heilung einher. Die beobachteten größeren Dehnungen in Regionen endochondraler Ossifikation legen eine Verknüpfung zwischen lokalen mechanischen Bedingungen und endochondraler Ossifikation nahe. Zum Abschluss wird eine Reihe von Zusammenhängen zwischen lokalen mechanischen Stimuli und Phasen der Kallusentwicklung in Form einer überarbeiteten Theorie zur Mechano-Biologie der sekundären Knochenheilung präsentiert.
The main treatment for fractures in the diaphysis of the long bones is a fixation procedure known as splinting. The degree of fixation stability is known to influence the healing outcome. Bone healing typically occurs with the formation of bony callus. Callus formation is initiated by signalling molecules released during inflammation which leads to pooling and differentiation of pluripotent mesenchymal cells. Later bone is formed by a combination of intramembranous and endochondral ossification. However, it is still unclear how tissue regeneration within the callus is influenced by the fixation stability and in particular the local mechanical conditions. The aim of this thesis is to further the understanding of the mechano-biology of bone healing. In particular, the tissue response to different mechanical stimuli and levels of stimulation is of interest. The tissue responses to mechanical stimulation were studied in an ovine osteotomy model of bone healing under defined conditions of fixation stability. Histological and histomorphometric techniques were used to characterize the changes in callus composition and morphology over the course of healing. In addition, a novel technique for quantifying bone quality by calculation of the moment of inertia was introduced. The mechanical competence of the healing callus was examined by tests to determine its strength and stiffness. Numerical analyses were then used to estimate the local mechanical stimuli in the callus during hard callus development. The tissue distribution described histologically was then correlated with the local mechanical conditions. Osteosynthesis with semi-rigid fixation, characterised by larger interfragmentary movements, led to inferior torsional stiffness at 6 weeks. At 9 weeks no difference in the mechanical competence could be determined. In the group rigidly fixed, fibrous tissue content reduced earlier, while in semi-rigidly treated animals cartilage persisted longer. Regardless of the fixation stability the initial bone formation by intramembranous ossification was the same. The calculation of the moment of inertia confirmed in the semi-rigidly treated animals a larger callus at six and nine weeks. Analysis of the mechanical conditions during healing found that only moderate axial interfragmentary movements were needed to produce mechanical stimuli of the same magnitude produced by larger interfragmentary shear and torsional movements believed to be critical to healing. Interfragmentary shear and torsion produced only deviatoric strains, whilst axial movements produced additionally a hydrostatic stress signal and fluid flow. In vivo determined movements applied to the finite element model resulted in little difference in the mechanical stimuli in the region of active bone formation for the two healing stabilities initially. For the semi-rigid group, large tensile strains on the surface of the periosteal hard callus were estimated at a time corresponding to the onset of endochondral ossification. In this study of bone healing, intramembranous ossification was determined to be relative insensitive to the fixation stability and mainly dependant upon biological factors. The delay in healing was related to a retarded endochondral ossification. Large tensile strains appearing in regions corresponding to sites of endochondral ossification suggest a link between the local mechanical conditions and the process of endochondral ossification. Finally, a number of relationships between local mechanical stimuli and processes of callus development are presented in a revised theory of the mechano-biology of secondary bone healing.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13200
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1684
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1387
Exam Date: 28-Mar-2006
Issue Date: 29-Jun-2006
Date Available: 29-Jun-2006
DDC Class: 610 Medizin und Gesundheit
Subject(s): Finite element
Knochenheilung
Mechanobiologie
Orthopädie
Tibae
Bone healing
Finite element
Mechanobiology
Orthopaedics
Tibia
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