Ascultați calitatea oaselor: Cum ajută ultrasunetele să dezvăluie microstructura și funcția elastică a oaselor

Institutul Julius Wolff și Școala de terapii regenerative din Berlin-Brandenburg

Charit - Universittsmedizinin Berlin

Augustenburger Platz 1

13353 Berlin, Germania

Laboratoire dImagerie Paramtrique

CNRS, Université Pierre și Marie Curie-Paris 6

F75006 Paris, Franța

Universitatea Tehnică din Darmstadt

64293 Darmstadt, Germania

Laboratoire dImagerie Paramtrique

CNRS, Université Pierre și Marie Curie-Paris 6

F75006 Paris, Franța

Versiune populară a hârtiei 5pBB9

Prezentat vineri după-amiază, 23 aprilie 2010

A 159-a reuniune ASA, Baltimore, MD

Materialele tehnice sofisticate care sunt folosite în viața de zi cu zi sunt adesea inspirate de natură. Construcțiile ușoare în fagure și compozite sandwich armate cu fibră de carbon, de exemplu, sunt utilizate pentru a construi avioane, mașini sau echipamente sportive moderne și au ca scop optimizarea diferitelor proprietăți, de ex. greutate, rezistență și rezistență care nu pot fi atinse de un singur material. Exemple de adoptare a conceptelor structurale din natură pentru proiectarea materialelor tehnice și construcția dispozitivelor datează de secole, până la primul concept de mașină zburătoare de Leonardo da Vinci în 1488. Cu toate acestea, cunoștințele noastre actuale despre concepte naturale pentru a realiza o funcție dorită este încă limitată, iar investigarea consecințelor funcționale ale variațiilor specifice de proiectare este centrul disciplinei de cercetare destul de tânără și în creștere, numită Biomimetics .

Țesuturi biologice dure, de ex. tendoanele mineralizate, osul și dinții sunt exemple naturale de realizare a combinațiilor unice și, de asemenea, o mare variabilitate a rigidității și rezistenței. Toate aceste țesuturi au un element comun care constituie o fibrilă de colagen care este întărită de mici cristale minerale. Una dintre caracteristicile izbitoare ale acestor țesuturi este capacitatea de a se adapta la condiții de încărcare variabile prin aranjamente structurale multiple dar bine organizate ale acestui bloc de construcție la mai multe niveluri de organizare ierarhică (Fig. 1).

ascultați

figura 1. Structura ierarhică a osului compact: a) osul compact în diafiză lungă; b) osteoni formați din lamele; c) lamele osoase, realizate dintr-un compus sandwich din pelicule de fibrilă de colagen mineralizat cu orientări variabile; d) film de fibrile de colagen mineralizat cu o singură orientare e) bloc de construcție de bază: fibrila de colagen mineralizat; f) matrice extra-fibrilară. De la Reisinger și colab. [1].

Pentru supraviețuire, scheletul animalelor și al oamenilor trebuie să ofere stabilitate, sprijin și protecție a organelor interne împotriva impacturilor mecanice, în combinație cu capacitatea de locomoție rapidă și eficientă din punct de vedere energetic, necesară pentru a colecta hrană, a vâna sau a scăpa de la alte animale de vânătoare. Mai mult, această funcționalitate a fost păstrată pe tot parcursul vieții, ceea ce necesită adaptarea la condiții variabile în timpul maturării și îmbătrânirii, dar și mecanisme de reparații care permit ambele, o reparație incrementală a microdeteriorării și refacerea defectelor macroscopice, adică fracturi.

Pentru a atinge aceste obiective, osul folosește diverse concepte de proiectare, de ex. întărirea unei matrici de colagen moi și flexibile prin particule minerale rigide, dar fragile, compoziția sandwich a filmelor anizotrope (direcționale), reducerea greutății prin porii direcționali și rețelele spongioase. Adaptarea și repararea sunt realizate de o armată de celule specializate fie în detectarea, extragerea sau construirea țesutului osos. În total, acest lucru duce la un material compus extrem de dinamic, ușor, rigid și dur, care este de obicei capabil să își mențină funcția pe tot parcursul vieții.

Acest principiu al adaptării osoase este larg acceptat ca legea Wolffs a adaptării osoase bazată pe opera clasică a lui Julius Wolff intitulată Das Gesetz der Transformation der Knochen (Legea transformării oaselor), publicată în 1892 [2]. De atunci proprietățile mecanice ale osului au fost investigate intens prin teste mecanice macroscopice până la nanoscopice, imagistică și abordări numerice.

Deși au fost descoperite multe detalii despre genetică, biologie, patologie și mecanica osului, încă ne lipsește o înțelegere detaliată a structurii osoase la nano și microscală. Modelele teoretice osoase existente ne permit doar o descriere limitată a funcției macroscopice (de exemplu, stabilitate și rezistență la eșec) bazată pe caracteristici structurale și compoziționale la niveluri ierarhice mai mici de organizare. Cu toate acestea, astfel de modele sunt cruciale, de ex. să i) să înțeleagă mecanismele mecanice și biologice ale adaptării osoase, ii) să prezică rezultatul strategiilor de tratament anabolizant (de construcție osoasă) sau antiresorptiv, iii) să definească concepte de proiectare pentru materiale tehnice cu combinații la fel de bune de proprietăți precum osul și iv) o mai bună înțelegere a originii proprietăților de rezistență mecanică a oaselor. Acesta din urmă are o importanță deosebită, deoarece ar ajuta cercetătorii să proiecteze o nouă clasă de sisteme de diagnostic non-invazive, neionizante, bazate pe ultrasunete, care să permită o predicție și o monitorizare sigură și fiabilă a riscului de fractură și a vindecării fracturilor.

Către acest obiectiv, sunt necesare atât date experimentale ale parametrilor elastici și structurali eterogeni de la toate scalele de lungime (de la centimetru până la scala nanometrică), cât și modele teoretice care pot simula comportamentul de deformare pe baza acestor date.

Dacă undele sonore se propagă printr-un material, interacțiunile lor elastice provoacă mici deformări reversibile (compresie, expansiune sau forfecare). Viteza acestor deformări este determinată de proprietățile elastice și de densitatea de masă a materialului. Acest principiu a fost folosit de zeci de ani pentru evaluarea neinvazivă și nedistructivă a materialelor tehnice și a țesuturilor biologice [3-6]. Traductoarele cu ultrasunete focalizate care emit impulsuri scurte și măsoară amplitudinea de reflecție pot fi utilizate ca un vârf virtual al degetului pentru a testa răspunsul elastic al suprafeței unui material. Prin scanarea traductorului pe suprafață, se pot obține hărți elastice. Dimensiunea acestei vârfuri deget virtuale depinde de diafragma numerică a câmpului sonor și de frecvența acustică și poate fi variată pe mai multe ordine de mărime (de la 10 mm la 100 kHz până la 0,5 m la 2 GHz) [7-14].

Figura 2. Imagini acustice (sus) și modele numerice (jos) ale secțiunilor transversale ale oaselor umane. Scara de gri din imaginile acustice corespunde răspunsului elastic local al țesutului la unda de intrare (luminos = rigid; întunecat = moale). De la stânga la dreapta: ultrasunetele din gama GHz dezvăluie structura aparentă a compusului sandwich al fasciculelor de fibrile. Pata întunecată mare este un canal Haversian care găzduiește vase de sânge, iar petele mici sunt lacune osteocitare, găzduind celule osoase. Aceste date (în combinație cu alte date de intrare) sunt utilizate pentru a construi modelele de fibrilă, lamelar și osteon. La 200 MHz se pot observa structuri de țesut paralel și eliptic (osteoni), precum și o microstructură poroasă. Aceste date stau la baza modelului de țesut.

Abordarea de jos în sus

O abordare de jos în sus necesită date structurale, compoziționale și elastice evaluate la fiecare nivel ierarhic de organizare, de la nanoscală la macroscală (Fig. 2). Aceste date pot fi obținute prin ultrasunete cu frecvența reglată la dimensiunea structurală la fiecare nivel de ierarhie și date complementare potrivite pentru sit (de exemplu, mineralizarea din radioterapia sincrotronului tomografie computerizată micro (SR-CT) [7, 8, 10, 11]. pot fi apoi construite elemente de volum care seamănă cu principalele caracteristici de proiectare structurală, dar care încorporează și grade de libertate pentru adaptarea dinamică (de exemplu, o schimbare de mineralizare dependentă de timp) (Fig. 2). Proprietățile elastice efective ale acestor elemente de volum pot fi calculate prin abordări de omogenizare numerică [15, 16] De exemplu, datele pot fi traduse într-o așa-numită plasă cu element finit (FE) Prin analize de deformare numerică, adică o compresie virtuală și calculul deformării rezultate, parametrii elastici care descriu o se poate obține un material omogen care se comportă în mod similar, adică un material fără structură sau variație a proprietăților materialului.

Omogenizarea de la nano - la macroscală se realizează într-o serie de pași: proprietățile materiale eficiente obținute la un nivel ierarhic sunt utilizate pentru a construi elementul de volum la următoarea scară. Avantajul acestei abordări este o reducere dramatică a complexității fără pierderea relațiilor structură-funcționalitate. În plus, datele experimentale la o anumită scară de lungime servesc atât pentru validarea modelului de omogenizare, cât și ca intrare pentru următoarea etapă de omogenizare.

Am derivat parametrii de rigiditate elastică, adică tensorul de rigiditate elastică și gradul de mineralizare în osul cortical uman la mai multe scale de lungime prin microscopie acustică de scanare (SAM) și SR-CT. Din aceste date, au fost dezvoltate modele ierarhice pentru a conecta nanoscala cu macroscala (Fig. 2) și descrie comportamentul elastic al țesutului la toate scările de lungime. Rezultatele noastre indică faptul că unele dintre aranjamentele de fibrile propuse anterior la nanoscală [17] nu au ca rezultat proprietățile elastice observate experimental la următoarea scară de lungime (microscală). Cu toate acestea, datele noastre susțin modelul unei structuri de placaj răsucite [18, 19]. Acest model folosește doar o regulă simplă de construcție, dar permite în principiu proiectarea mai multor aranjamente de fibrile raportate anterior printr-o variație a grosimii straturilor individuale de fibrilă. La următoarea scară de lungime (mezoscală), efectele proprietăților materialului și ale rețelei poroase au fost evaluate numeric. Mai mult, variațiile locale ale proprietăților structurale și elastice mezoscale din arborele femural par să fie legate de o distribuție neomogenă a tulpinii rezultată din tensiunile externe (macroscopice) în funcție de greutate și forțe musculare.

Ecografia oferă un mod unic și până în prezent aproape neexplorat de a asculta calitatea oaselor. Spre deosebire de alte tehnici mecanice sau de imagistică, această abordare de imagistică elastică bazată pe ultrasunete combină capacitatea de a evalua proprietățile structurale și materiale ale țesutului pe scări de lungime multiplă. Pentru a gestiona aceste informații complexe, au fost create instrumente de inginerie, de ex. au fost utilizate analize de elemente finite și tehnici de omogenizare. Prin utilizarea unei astfel de combinații, pot fi investigate principalele mecanisme care conduc la combinația excepțională de rezistență și rezistență, precum și schimbarea acestor proprietăți pe parcursul îmbătrânirii osoase sau a patologiilor.

Această lucrare a fost realizată în cadrul evaluării bazate pe ultrasunete a laboratorului asociat european (ULAB) și a fost susținută de Deutsche Forschungsgemeinschaft în cadrul programului prioritar SPP1420 Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials (grant Ra1380/7).

[1] Reisinger, A.G., Pahr, D.H., Zysset, P.K., Analiza sensibilității și studiul parametric al proprietăților elastice ale unei matrici de fibrile osoase mineralizate unidirecționale folosind metode de câmp mediu, Biomech. Model. Mecanobiol. 2010.

[2] Wolff, J., Das Gesetz der Transformation der Knochen. Berlin, Verlag von August Hirschwald. 1892.

[3] Ashman, R.B., Cowin, S.C., Rho, J.Y., Van Buskirk, W.C., Rice, J.C., O tehnică de undă continuă pentru măsurarea proprietăților elastice ale osului cortical, J. Biomech. 17 (5), 1984, 349-361.

[4] Lees, S., Heeley, J. D., Cleary, P. F., Un studiu al unor proprietăți ale unei probe de os cortical bovin folosind ultrasunete, Calcif. Țesut Int. 29 (2), 1979, 107-117.

[5] Rho, J.Y., O metodă cu ultrasunete pentru măsurarea proprietăților elastice ale osului cortical și spongios tibial uman, Ultrasonics 34 (8), 1996, 777-783.

[6] Van Buskirk, W.C., Cowin, S.C., Ward, R.N., Măsurarea cu ultrasunete a constantelor elastice ortotrope ale osului femural bovin, J. Biomech. Eng. 103 (2), 1981, 67-72.

[7] Raum, K., Imagistica microelastică a osului, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Frecv. Contr. 55 (7), 2008, 1417-1431.

[8] Raum, K., Hofmann, T., Leguerney, I., Saied, A., Peyrin, F., Vico, L., Laugier, P., Variații ale microstructurii, densității minerale și elasticității țesuturilor în B6/Șoareci C3H, Bone 41 (6), 2007, 1017-1024.

[9] Raum, K., Kempf, K., Hein, H. J., Schubert, J., Maurer, P., Conservarea proprietăților microelastice ale dentinei și smalțului dinților in vitro - un studiu de microscopie acustică de scanare, Dent. Mater. 23 (10), 2007, 1221-1228.

[10] Raum, K., Leguerney, I., Chandelier, F., Talmant, M., Saied, A., Peyrin, F., Laugier, P., Evaluarea pe site-uri a proprietăților structurale și tisulare ale osului cortical folosind microscopie acustică de scanare și radiații sincrotrone CT, Phys. Med. Biol. 51 (3), 2006, 733-746.

[11] Hofmann, T., Heyroth, F., Meinhard, H., Franzel, W., Raum, K., Evaluarea compoziției și proprietățile elastice anizotrope ale lamelelor osteon secundare, J. Biomech. 39 (12), 2006, 2284-2294.

[12] Hube, R., Mayr, H., Hein, W., Raum, K., Predicția stabilității biomecanice după distragerea calusului prin microscopie acustică de scanare de înaltă rezoluție, Ultrasound Med. Biol. 32 (12), 2006, 1913-1921.

[13] Raum, K., Leguerney, I., Chandelier, F., Bossy, E., Talmant, M., Saied, A., Peyrin, F., Laugier, P., Microstructura osoasă și proprietățile țesuturilor elastice sunt reflectată în măsurătorile de transmisie axială QUS, cu ultrasunete Med. Biol. 31 (9), 2005, 1225-1235.

[14] Raum, K., Jenderka, K. V., Klemenz, A., Brandt, J., Analiza multistrat: Microscopie acustică cu scanare cantitativă pentru caracterizarea țesuturilor la scară microscopică, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Frecv. Contr. 50 (5), 2003, 507-516.

[15] Parnell, W.J., Grimal, Q., Influența porozității mezoscale asupra anizotropiei osoase corticale. Investigații prin omogenizare asimptotică, J R. Soc. Interfața 6 (30), 2009, 97-109.

[16] Grimal, Q., Raum, K., Gerisch, A., Laugier, P., Derivarea tensorului de elasticitate mezoscopică a osului cortical din imagini de impedanță cantitativă la scara micronică, Comput. Metode Biomech. Biomed Engin. 11 (2), 2008, 147-157.

[17] Wagermaier, W., Gupta, HS., Gourrier, A., Burghammer, M., Roschger, P., Fratzl, P., Răsucire spirală a orientării fibrelor în interiorul lamelelor osoase, Biointerfaze 1 (1), 2006, 1-5.

[18] Giraud- Guille, M.M., Besseau, L., Martin, R., Ansambluri cristaline lichide de colagen în sistemele osoase și in vitro, J. Biomech. 36 (10), 2003, 1571-1579.

[19] Giraud- Guille, M.M., Arhitectură de placaj răsucit a fibrilelor de colagen în osteonii umani compacti, Calcif. Țesut Int. 42 (3), 1988, 167-180.