Realistyczne modelowanie mięśniowo-szkieletowe

Dotychczas nie powstały wieloskalowe, specyficzne względem tkanki modele kości, ponieważ do realizacji tego typu zadania niezbędne są dane o naprężeniach na poziomie tkankowym w całych kościach. Nie można tego dokonać poprzez pomiary eksperymentalne, a symulacje numeryczne mają ograniczony zakres.

Dlatego modele całych kości specyficzne względem tkanki będą nieocenione dla badaczy w kwestii określania relacji między mikrostrukturą a funkcją kości. Naukowcy z projektu TISSSPECBONEFEM (Incorporation of multiscale tissue-specific properties into musculoskeletal finite element modelling) pracowali nad stworzeniem dokładnych modeli kości przy użyciu metody elementów skończonych (FE) na przykładzie kości udowej owcy.

Badacze eksperymentalnie scharakteryzowali geometrię kości udowej owcy, gęstość minerału kostnego, typy tkanek i właściwości elastyczne w mikroskali. Przy użyciu bazy danych związanych z miejscem występowania, stworzono metodą FE modele mięśniowo-szkieletowe kości udowej owcy, które prezentowały specyficzne względem tkanki, anizotropowe, elastyczne właściwości kości, jak również obciążenia w warunkach fizjologicznych.

Aby określić związek struktury z funkcją, uczestnicy projektu TISSSPECBONEFEM zebrali dane dotyczące wielkoskalowych i określanych w różnych trybach właściwości związanych z miejscem występowania i przeanalizowali je w kombinacji z przewidywanymi naprężeniami fizjologicznymi. Odkryto, że remodelowanie kości długiej, takiej jak udowa, zależy bardziej od miejscowych sił ścinających niż od kompresji i zginania.

Osteocyty to komórki kości zdolne do odczuwania bodźców mechanicznych i uczestniczące w remodelowaniu kości. Dzięki metodzie FE i synchrotronowej nanotomografii fazowej promieniowania rentgenowskiego, badacze przeanalizowali geometrię sieci porów w skali submikroskopowej i przebadali deformacje osteocytów in situ.

Stosując bazującą na ultradźwiękach dwukierunkową transmisję osiową, badacze ocenili w skali centymetrowej właściwości istoty zbitej w warunkach analogicznych do in vivo. Narzędzie to będzie użyteczne w ocenie występujących w określonych przypadkach właściwości materiałowych kości.

Badacze z powodzeniem dokonali analizy ilościowej mineralizacji kości, tensora całkowitej sztywności i morfologii sieci porów. Korelacja z umiejscowieniem anatomicznym, typem tkanki i wiekiem zwierzęcia dostarczyła informacji o zależnościach struktura-funkcja, jak również o procesie remodelowania.

Członkowie projektu stworzyli również numeryczny schemat zastosowania stworzonego owczego modelu osteotomii do badań leczenia złamań w warunkach różnych poziomów naprężenia.

Narzędzia, baza danych i wyniki badawcze uczestników projektu TISSSPECBONEFEM mogą okazać się nieocenione w projektowaniu i monitorowaniu implantów mocujących kości do leczenia złamań. W przypadku gwałtownie starzejącej się populacji europejskiej, kliniczne zastosowanie tych odkryć może ulepszyć mobilność pacjentów, a jednocześnie zmniejszyć koszty służby zdrowia związane ze złamaniami i wymianą stawów.