The Scissors Model of Microcrack Detection in Bone: Work in Progress

Taylor, David; Mulcahy, Lauren; Presbítero, Gerardo; Tisbo, Pietro; Dooley, Clodagh; Duffy, Garry P.; Lee, Thomas Clive

doi:10.1557/proc-1274-qq08-01

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“…tenfortsätze (29,30). Diese lokalen Gewebeschädigungen initiieren die Osteozytenapoptose, ein Schlüsselmoment im Beginn des Knochenumbaus (31)(32)(33).…”

Section: Key Pointsunclassified

Eigenschaften des Osteozytennetzwerks in gesundem und erkranktem Knochen

Scheidt¹,

Busse²

2016

Osteologie

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ZusammenfassungHumaner Knochen ist von einem komplexen Netzwerk aus Lakunen und Kanalikuli durchzogen, welches von mechanosensitiven Osteozyten bevölkert wird. Durch Signalmoleküle und direkten Zellkontakt regulieren Osteozyten die Aktivität von Osteoblasten und Osteoklasten im Knochenumbau und modulieren so die mechanischen Eigenschaften des Knochens. Zusätzlich greifen Osteozyten in den Kalziumstoffwechsel ein und können lokal Kalzium resorbieren oder eine Mineralisierung beeinflussen. Wir diskutieren zwei Hauptfaktoren, welche die Mechanoresponsivität des Netzwerks schädigen:1. Der Tod von Osteozyten, z. B. bei unphysiologischer Belastung, und der Mangel an Osteozyten im Alter verschlechtern die Auflösung des mechanosensitiven Netzwerk. Dies verhindert eine adäquate Instandhaltung der Gewebequalität und resultiert in gealtertem, höher mineralisiertem Knochen mit einer Häufung von Mikrorissen.2. Der Verschluss von Lakunen mit Mineral verhindert zusätzlich den Nährstoff- und Signalmolekülfluss im Netzwerk. So wird die Lebensfähigkeit anliegender Zellen behindert und die Mechanoresponsivität verringert. Da die regulierende Funktion der Osteozyten auf den Knochenumbau für eine hohe Fraktur resistenz essenziell ist, bietet sich hier ein großes Potenzial, durch Unterstützung der Osteozytenlebensfähigkeit therapeutisch und präventiv Frakturen zu bekämpfen.

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“…tenfortsätze (29,30). Diese lokalen Gewebeschädigungen initiieren die Osteozytenapoptose, ein Schlüsselmoment im Beginn des Knochenumbaus (31)(32)(33).…”

Section: Key Pointsunclassified

Eigenschaften des Osteozytennetzwerks in gesundem und erkranktem Knochen

Scheidt¹,

Busse²

2016

Osteologie

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“…3) (13,16,28). Unter Last reiben die Bruchflächen von Mikrorissen wie die Schneiden einer Schere aneinander und durchtrennen die Osteozytenfortsätze (29,30). Diese lokalen Gewebeschädigungen initiieren die Osteozytenapoptose, ein Schlüsselmoment im Beginn des Knochenumbaus (31)(32)(33).…”

Section: Discussionunclassified

Eigenschaften des Osteozytennetzwerks in gesundem und erkranktem Knochen

Scheidt¹,

Busse²

2018

Arthritis und Rheuma

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ZusammenfassungHumaner Knochen ist von einem komplexen Netzwerk aus Lakunen und Kanalikuli durchzogen, welches von mechanosensitiven Osteozyten bevölkert wird. Durch Signalmoleküle und direkten Zellkontakt regulieren Osteozyten die Aktivität von Osteoblasten und Osteoklasten im Knochenumbau und modulieren so die mechanischen Eigenschaften des Knochens. Zusätzlich greifen Osteozyten in den Kalziumstoffwechsel ein und können lokal Kalzium resorbieren oder eine Mineralisierung beeinflussen. Wir diskutieren zwei Hauptfaktoren, welche die Mechanoresponsivität des Netzwerks schädigen: 1. Der Tod von Osteozyten, z. B. bei unphysiologischer Belastung, und der Mangel an Osteozyten im Alter verschlechtern die Auflösung des mechanosensitiven Netzwerk. Dies verhindert eine adäquate Instandhaltung der Gewebequalität und resultiert in gealtertem, höher mineralisiertem Knochen mit einer Häufung von Mikrorissen. 2. Der Verschluss von Lakunen mit Mineral verhindert zusätzlich den Nährstoffund Signalmolekülfluss im Netzwerk. So wird die Lebensfähigkeit anliegender Zellen behindert und die Mechanoresponsivität verringert. Da die regulierende Funktion der Osteozyten auf den Knochenumbau für eine hohe Fraktur resistenz essenziell ist, bietet sich hier ein großes Potenzial, durch Unterstützung der Osteozytenlebensfähigkeit therapeutisch und präventiv Frakturen zu bekämpfen.

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“…Many researchers therefore use animal specimens, with advantages being the homogeneity of specimen, plentiful supply and the avoidance of harmful pathogens associated with unembalmed human cadavers [27] [28] [29]. Popular alternatives to human specimens are rusine, ovine, bovine [30] and porcine [31] [32]. The choice of porcine specimens for this study, and particularly those from animals of 6 months old is further supported by the fact that they represent an immature skeleton, such as that of a paediatric patient.…”

Section: Related Workmentioning

confidence: 99%

Development of a Porcine FE Model for the Investigation of Vertebral Laminae Strains Resulting From Facet Tropism

Bright¹,

Tiernan²,

McEvoy³

et al. 2017

JBEB

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As many as 85% of adults experience back pain that interferes with their work and leisure activities, and 25% of people between the ages of 30-50 years report lower back symptoms. Much of the pain and discomfort in later life results from an untreated condition during adolescence. Stress fractures of the vertebral lumbar laminae are given the clinical name spondylolysis. This vertebral defect is an acquired fracture with 7% prevalence in the paediatric population. This fracture has a mechanical aetiology, and fair evidence exists to support the role of facet tropism (geometric asymmetry) as a predisposing factor. Tests were carried out on porcine lumbar vertebrae, on which a series of angular asymmetries were simulated. Strain was recorded using 3-element stacked rosette strain gauges placed on the vertebral laminae. These tests showed that as each subsequent step of asymmetry is applied there is an increase in both Von Mises stress and strain on the ipsilateral side, this increase has a complex non-linear progression and pathological values for strain (>3000µε) are recorded indicating potential damage, which is supported by an average 17% reduction in facet/laminae stiffness (N/mm). An FEA model of the vertebra was created using µCT scans and published formulae linking bone mineralisation to material properties. This model successfully replicated both the facet/laminae stiffness (N/mm) and strains that were measured during test. The degree to which facet asymmetry is a predisposing factor and the knowledge of potentially pathological strain levels in the vertebra are important parameters when evaluating new implant devices and surgical techniques.

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The Scissors Model of Microcrack Detection in Bone: Work in Progress

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