ПРИСІНЯ ASA

Послухайте якість кісток: як ультразвук допомагає виявити мікроструктуру та еластичну функцію кісток

Інститут Юлія Вольфа та школа регенеративної терапії Берлін-Бранденбург

Харит - Берлінський університет

Augustenburger Platz 1

13353 Берлін, Німеччина

Laboratoire dImagerie Paramtrique

CNRS, Університет П'єра та Марії Кюрі-Париж 6

F75006 Париж, Франція

Технічний університет Дармштадт

64293 Дармштадт, Німеччина

Laboratoire dImagerie Paramtrique

CNRS, Університет П'єра та Марії Кюрі-Париж 6

F75006 Париж, Франція

Популярна версія паперу 5pBB9

Представлено в п’ятницю вдень, 23 квітня 2010 року

159-та зустріч ASA, Балтимор, доктор медичних наук

Складні технічні матеріали, які використовуються у повсякденному житті, часто надихаються природою. Легкі стільникові конструкції та армовані вуглецевим волокном сендвіч-композити, наприклад, використовуються для конструювання літаків, автомобілів або сучасного спортивного обладнання та спрямовані на оптимізацію різних властивостей, наприклад вага, в'язкість і міцність, яких неможливо досягти одним матеріалом. Приклади прийняття конструктивних концепцій від природи для проектування технічних матеріалів та конструкції приладів датуються століттями, до першої концепції літаючої машини Леонардо да Вінчі в 1488 році. Однак наші сучасні знання про природні концепції для досягнення бажаної функції все ще обмежена, і вивчення функціональних наслідків конкретних варіацій дизайну є в центрі уваги досить молодої та зростаючої дослідницької дисципліни, яка називається Biomimetics .

Тверді біологічні тканини, напр. мінералізовані сухожилля, кістки та зуби є природними прикладами досягнення унікальних комбінацій, а також великої мінливості жорсткості та міцності. Всі ці тканини мають загальний будівельний матеріал - колагенову фібрилу, яка посилена дрібними мінеральними кристалами. Однією з яскравих особливостей цих тканин є здатність пристосовуватися до змінних умов навантаження за допомогою декількох, але добре організованих структурних конструкцій цього будівельного блоку на декількох рівнях ієрархічної організації (рис. 1).

Фігура 1. Ієрархічна будова компактної кістки: а) компактна кістка в довгому діафізі; б) остеони, утворені ламелями; в) кісткові ламелі, виготовлені із сендвіч-сполуки мінералізованих плівок фібрили колагену зі змінною орієнтацією; г) плівка мінералізованих колагенових фібрил з єдиною орієнтацією д) основний будівельний матеріал: мінералізована колагенова фібрила; f) позафібрилярна матриця. Від Reisinger et al. [1].

Для виживання скелет тварин і людей повинен забезпечувати стабільність, підтримку та захист внутрішніх органів від механічних впливів у поєднанні зі здатністю швидкого та енергоефективного руху, необхідного для збору їжі, полювання чи втечі від інших мисливських тварин. Більше того, ця функціональність повинна зберігатися протягом усього життя, що вимагає адаптації до змінних умов під час дозрівання та старіння, а також механізмів ремонту, які дозволяють і поступове відновлення мікропошкоджень, і відновлення макроскопічних дефектів, тобто переломів.

Для досягнення цих цілей кістка використовує різні дизайнерські концепції, напр. посилення м’якої та гнучкої колагенової матриці жорсткими, але крихкими мінеральними частинками, сандвічеве змішування анізотропних (спрямованих) плівок, зменшення ваги спрямованими порами та губчастими сітками. Адаптація та ремонт здійснюється армією клітин, що спеціалізуються або на зондуванні, видобутку, або на побудові кісткової тканини. В цілому це призводить до надзвичайно динамічного, легкого жорсткого і міцного складного матеріалу, який зазвичай здатний зберігати свою функцію протягом усього життя.

Цей принцип адаптації кісток широко прийнятий як закон Вольфса про адаптацію кісток, заснований на класичній праці Юліуса Вольфа під назвою Das Gesetz der Transformation der Knochen (Закон трансформації кісток), опублікованій у 1892 р. [2]. З тих пір механічні властивості кісток інтенсивно досліджувались від макроскопічних до наноскопічних механічних випробувань, візуалізації та чисельних підходів.

Незважаючи на те, що було розкрито багато деталей генетики, біології, патології та механіки кістки, ми все ще не маємо детального розуміння будови кісток на нано- та мікромасштабах. Існуючі теоретичні моделі кісток дозволяють лише обмежений опис макроскопічної функції (наприклад, стійкості та стійкості до відмов) на основі структурних та композиційних особливостей на менших ієрархічних рівнях організації. Однак такі моделі мають вирішальне значення, напр. i) розуміти механічні та біологічні механізми адаптації кісток, ii) прогнозувати результат анаболічних (нарощування кісток) або антирезорбтивних стратегій лікування, iii) визначати дизайнерські концепції технічних матеріалів з однаково хорошими поєднаннями властивостей, таких як кістка та iv) забезпечувати краще розуміння походження властивостей механічної стійкості кісток. Останнє має особливе значення, оскільки допомогло б дослідникам розробити новий клас неінвазивних, неіонізуючих, діагностичних систем на основі ультразвуку, які дозволять безпечно та надійно прогнозувати та контролювати ризик переломів та загоєння переломів.

Для досягнення цієї мети потрібні як експериментальні дані неоднорідних пружних і структурних параметрів з усіх шкал довжини (від сантиметра до нанометрової шкали), так і теоретичні моделі, які можуть моделювати поведінку деформації на основі цих даних.

Якщо звукові хвилі поширюються крізь матеріал, їх пружні взаємодії викликають невеликі оборотні деформації (стиснення, розширення або зсув). Швидкості цих деформацій визначаються пружними властивостями та масовою щільністю матеріалу. Цей принцип десятиліттями застосовувався для неінвазивної та неруйнівної оцінки технічних матеріалів та біологічних тканин [3-6]. Фокусовані ультразвукові перетворювачі, які випромінюють короткі імпульси та вимірюють амплітуду відбиття, можуть використовуватися як віртуальний кінчик пальця для зондування пружної реакції поверхні матеріалу. Скануючи датчик по поверхні, можна отримати пружні карти. Розмір цього віртуального кінчика пальця залежить від числової апертури звукового поля та акустичної частоти і може змінюватись на кілька порядків (від 10 мм на 100 кГц до 0,5 м на 2 ГГц) [7-14].

Малюнок 2. Акустичні зображення (вгорі) та числові моделі (внизу) поперечних перерізів кісток людини. Шкала сірого на акустичних зображеннях відповідає місцевій еластичній реакції тканини на хвилю, що надходить (яскрава = жорстка; темна = м'яка). Зліва направо: Ультразвук в діапазоні ГГц виявляє очевидну структуру сандвічевих сполук пучків фібрил. Велика темна пляма - це гаверсіанський канал, в якому розміщені кровоносні судини, а маленькі плями - лакуни остеоцитів, що містять кісткові клітини. Ці дані (у поєднанні з іншими вхідними даними) використовуються для побудови фібрильної, пластинчастої та остеонової моделей. На частоті 200 МГц можна спостерігати паралельні та еліптичні тканинні структури (остеони), а також пористу мікроструктуру. Ці дані є основою для тканинної моделі.

Підхід знизу вгору

Підхід знизу вгору вимагає експериментально оцінених структурних, композиційних та еластичних даних на кожному ієрархічному рівні організації від наномасштабу до макромасштаби (рис. 2). Ці дані можна отримати за допомогою ультразвуку з частотою, налаштованою на структурний вимір на кожному рівні ієрархії, та додатковими даними, що відповідають місцям (наприклад, мінералізація за допомогою мікрокомп’ютерної томографії синхротронного випромінювання (SR-CT) [7, 8, 10, 11]. Потім можуть бути сконструйовані об'ємні елементи, які нагадують основні конструктивні конструктивні особливості, але також містять ступінь свободи для динамічної адаптації (наприклад, зміна мінералізації, що залежить від часу) (рис. 2). Ефективні пружні властивості таких об'ємних елементів можна обчислити числовими методами гомогенізації [15, 16]. Наприклад, дані можуть бути перетворені у так звану сітку кінцевих елементів (FE). За допомогою чисельного аналізу деформації, тобто віртуального стиснення та розрахунку результуючої деформації, пружні параметри, які описати подібний поведінковий однорідний матеріал, тобто матеріал без будь-якої структури або зміни властивостей матеріалу можна отримати.

Гомогенізація від нано - до макромасштабу виконується в ряд етапів: ефективні властивості матеріалу, отримані на одному ієрархічному рівні, використовуються для побудови об’ємного елемента в наступному масштабі. Перевагою цього підходу є різке зменшення складності без втрати структурно-функціональних взаємозв’язків. Крім того, експериментальні дані в заданій наступній шкалі довжини служать як для перевірки моделі гомогенізації, так і як вхідні дані для наступного етапу гомогенізації.

Ми отримали параметри еластичної жорсткості, тобто тензор пружної жорсткості та ступінь мінералізації в кірковій кістці людини за кількома шкалами довжини за допомогою сканованої акустичної мікроскопії (SAM) та SR-CT. На основі цих даних розроблені ієрархічні моделі, які з'єднують наномасштаб з макромасштабом (рис. 2) та описують еластичну поведінку тканини на всіх шкалах довжини. Отримані нами результати вказують на те, що деякі з раніше запропонованих композицій фібрил на наномасштабі [17] не призводять до експериментально спостережуваних пружних властивостей на наступній шкалі довжини (мікромасштабі). Однак наші дані підтримують модель витої фанерної конструкції [18, 19]. Ця модель використовує лише просте будівельне правило, але в принципі допускає розробку декількох раніше повідомлених композицій фібрили шляхом зміни товщини окремих шарів фібрили. На наступній шкалі довжини (мезомасштабі) вплив властивостей матеріалу та пористої мережі оцінювали чисельно. Більш того, локальні зміни структурно-еластичних властивостей мезомасштабу в стовбурі стегнової кістки, як видається, пов'язані з неоднорідним розподілом деформацій, що виникає внаслідок зовнішніх (макроскопічних) напружень ваги та м'язових сил.

УЗД забезпечує унікальний і на сьогоднішній день майже не досліджений спосіб прослуховування якості кісток. На відміну від інших механічних методів чи методів візуалізації, цей еластичний візуалізаційний метод на основі ультразвуку поєднує можливість оцінки структурних та матеріальних властивостей тканини на масштабах декількох довжин. Для обробки цієї складної інформації створені інженерні засоби, напр. були використані аналізи кінцевих елементів та методи гомогенізації. Застосовуючи таку комбінацію, можна дослідити основні механізми, що призводять до виняткової комбінації в’язкості та міцності, а також зміну цих властивостей протягом старіння або патологій кісток.

Ця робота була проведена в рамках Європейської асоційованої лабораторної оцінки кісток на основі ультразвуку (ULAB) і була підтримана Deutsche Forschungsgemeinschaft в рамках пріоритетної програми SPP1420 Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials (грант Ra1380/7).

[1] Reisinger, A.G., Pahr, D.H., Zysset, P.K., Аналіз чутливості та параметричне вивчення пружних властивостей односпрямованого мінералізованого масиву кісткової фібрили з використанням методів середнього поля, Biomech. Модель. Механобіол. 2010 рік.

[2] Wolff, J., Das Gesetz der Transformation der Knochen. Берлін, Верлаг фон Августа Гіршвальда. 1892 рік.

[3] Ashman, R.B., Cowin, S.C., Rho, J.Y., Van Buskirk, W.C., Rice, J.C., Техніка безперервної хвилі для вимірювання еластичних властивостей коркової кістки, J. Biomech. 17 (5), 1984, 349-361.

[4] Lees, S., Heeley, J.D., Cleary, P.F., Дослідження деяких властивостей зразка кортикальної кістки великої рогатої худоби за допомогою ультразвуку, Calcif. Тканина Int. 29 (2), 1979, 107-117.

[5] Rho, J.Y., Ультразвуковий метод вимірювання еластичних властивостей кіркової і губчастої кісток великогомілкової кістки людини, Ultrasonics 34 (8), 1996, 777-783.

[6] Ван Бускірк, В.К., Ковін, С.К., Уорд, Р.Н., Ультразвукове вимірювання ортотропних пружних констант кістки стегна великої рогатої худоби, Дж. Біомех. Інж. 103 (2), 1981, 67-72.

[7] Раум, К., Мікропружна візуалізація кісток, IEEE Trans. Ультразвук., Ферроелект., Частота Контр. 55 (7), 2008, 1417-1431.

[8] Raum, K., Hofmann, T., Leguerney, I., Saied, A., Peyrin, F., Vico, L., Laugier, P., Варіації мікроструктури, мінеральної щільності та еластичності тканин у B6/C3H миші, Кістка 41 (6), 2007, 1017-1024.

[9] Raum, K., Kempf, K., Hein, H.J., Schubert, J., Maurer, P., Збереження мікропружних властивостей дентину та зубної емалі in vitro - скануюче дослідження акустичної мікроскопії, Dent. Матер. 23 (10), 2007, 1221-1228.

[10] Raum, K., Leguerney, I., Chandelier, F., Talmant, M., Saied, A., Peyrin, F., Laugier, P., Оцінка структурних та тканинних властивостей кіркової кістки відповідно до місця за допомогою скануючої акустичної мікроскопії та синхротронного випромінювання КТ, Фіз. Мед. Біол. 51 (3), 2006, 733-746.

[11] Хофманн, Т., Гейрот, Ф., Майнхард, Х., Францель, В., Раум, К., Оцінка складу та анізотропних пружних властивостей вторинних остеонових ламелей, Дж. Біомех. 39 (12), 2006, 2284-2294.

[12] Hube, R., Mayr, H., Hein, W., Raum, K., Прогнозування біомеханічної стабільності після відволікання мозолі за допомогою скануючої акустичної мікроскопії з високою роздільною здатністю, Ultrasound Med. Біол. 32 (12), 2006, 1913-1921.

[13] Raum, K., Leguerney, I., Chandelier, F., Bossy, E., Talmant, M., Saied, A., Peyrin, F., Laugier, P., Мікроструктура кісток та властивості еластичної тканини відображено в вимірах осьової передачі QUS, Ultrasound Med. Біол. 31 (9), 2005, 1225-1235.

[14] Раум, К., Джендерка, К. В., Клеменц, А., Брандт, Дж., Багатошаровий аналіз: Кількісна скануюча акустична мікроскопія для характеристики тканин у мікроскопічному масштабі, IEEE Trans. Ультразвук., Ферроелект., Частота Контр. 50 (5), 2003, 507-516.

[15] Парнелл, В. Дж., Грималь, К., Вплив мезомасштабної пористості на анізотропію кісткової тканини кори. Дослідження за допомогою асимптотичної гомогенізації, J R. Soc. Інтерфейс 6 (30), 2009, 97-109.

[16] Grimal, Q., Raum, K., Gerisch, A., Laugier, P., Виведення мезоскопічного тензора пружності кіркової кістки з кількісних зображень імпедансу в мікронній шкалі, Comput. Методи Біомех. Біомед Енгін. 11 (2), 2008, 147-157.

[17] Wagermaier, W., Gupta, HS., Gourrier, A., Burghammer, M., Roschger, P., Fratzl, P., Спіральне скручування орієнтації волокна всередині кісткових ламелей, Biointerphases 1 (1), 2006 1-5.

[18] Жиро-Гіл, М.М., Бессо, Л., Мартін, Р., Рідкокристалічні збірки колагену в кісткових системах та системах in vitro, J. Biomech. 36 (10), 2003, 1571-1579.

[19] Жиро-Гіл, М.М., Скручена фанерна архітектура колагенових фібрил у компактних кісткових остеонах людини, Кальциф. Тканина Int. 42 (3), 1988, 167-180.