Multimodale mikroelastische Untersuchungen von kortikalem Knochen - kumulative Habilitationsschrift

Abstract

Knochen besteht aus einem hierarchisch aufgebauten, heterogenen Gewebe, dessen Eigenschaften sich kontinuierlich verändern. Der hierarchische Aufbau und die hohe Ordnungs-struktur verursachen anisotrope (richtungsabhängige) elastische Eigenschaften, die in jeder Organisationsebene unterschiedlich sein können. Pathologien, z.B. Osteoporose führen zum Verlust mechanisch-funktioneller Eigenschaften bis hin zum Organversagen. Eine individuelle Erhöhung des Frakturrisikos wird nicht nur durch einen Verlust von Knochenmasse, sondern auch durch eine Vielzahl von kompositionellen und ultrastrukturellen Veränderungen der mineralisierten Knochenmatrix verursacht. Ziel der Arbeit war die Entwicklung von Methoden, mit denen die heterogenen und anisotropen Struktur- und Materialeigenschaften von kortikalem Knochen hochaufgelöst quantifiziert werden können. Hochauflösende quantitative akustische Impedanzverteilungsmessungen wurden für die Ableitung elastischer Parameter der Knochenmeso- und -mikrostruktur entwickelt. Der Einfluss der Gewebe-mineralisierung auf elastische Parameter wurde durch Kombination akustischer Messungen mit Ramanspektroskopie und Synchrotron-Mikrocomputertomographie untersucht und es wurden Modelle entwickelt, welche die Beziehungen zwischen Gewebemineralisierung, Massendichte, akustischer Impedanz, Schallgeschwindigkeit und anisotropen elastischen Parametern beschreiben. Das Potential der kombinierten Erfassung von Struktur- und Elastizitätsparametern wurde in mehreren Studien gezeigt. Darüber hinaus wurde durch die Kombination der experimentellen mikroelastischen Daten mit Finite-Elemente-Modellen die Basis für realitätsnahe numerische mikromechanische Deformationsanalysen geschaffen.