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Multiscale changes in bone due to bio-resorbable implants: towards a prediction of structure and mechanical performance

English title Multiscale changes in bone due to bio-resorbable implants: towards a prediction of structure and mechanical performance
Applicant Bunk Oliver
Number 188993
Funding scheme Project funding
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Structural Research
Start/End 01.02.2021 - 31.01.2024
Approved amount 192'918.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Structural Research
Other disciplines of Physics

Keywords (2)

Bio-resorbable tissue replacements ; X-ray imaging

Lay Summary (German)

Lead
Bio-resorbierbare Implantatmaterialien sind in den letzten Jahren in den Fokus der Forschung gerückt. Besonders vielversprechend für Knochenimplantate sind Magnesiumlegierungen, deren Biokompatibilität und grundsätzliche Eignung als Implantatmaterialien bereits demonstriert wurde.
Lay summary
Da Knochen ein komplexes, höchst anpassungsfähiges Material ist und bekanntermaßen auf mechanische Stimuli und chemische Einflüsse reagiert, kann erwartet werden, dass das Einsetzen eines Implantats und dessen Abbau die Struktur des Knochens verändert, was auch durch unsere bisherigen Ergebnisse gestützt wird. Dennoch fehlt nach wie vor eine detaillierte Untersuchung der strukturellen Änderungen von Knochen auf mehreren Längenskalen während des Implantatabbaus. Dies ist von großem wissenschaftlichem Interesse, da es ein Modellsystem für die Antwort des Knochens auf eine sich ständig ändernde Grenzfläche, an der die Heilung stattfindet, und sich ändernde Lastsituation darstellt. Dies ist ebenfalls von großer Wichtigkeit für die zukünftige klinische Anwendung bioresorbierbarer Implantate und die Optimierung der medizinischen Behandlung.

Das Ziel dieses Projekts ist daher die Erforschung der Strukturänderung von Knochen auf mehreren Längenskalen durch ein sich auflösendes Magnesium-Implantat, die Korrelation der Strukturänderungen mit Änderungen der Lastsituation und die Erforschung der Konsequenzen für die mechanische Performance von Knochen. Zu diesem Zweck untersuchen wir die lokale Morphologie und Nanostruktur in Rattenknochen an der Grenzschicht zu bioresorbierbaren Magnesiumimplantaten und mit Abstand davon, und zwar zu verschiedenen Zeitpunkten während des Implanatatabbaus. Diese werden dann zum Abbauverhalten, dem Heilungsprozess und der Lastsituation in Beziehung gesetzt. Der Einfluss von mechanischen Reizen durch körperliches Training soll ebenfalls untersucht werden. Da Knochen ein komplexes, 3-dimensionales Material ist, setzen wir uns die Strukturuntersuchung und mechanische Modellierung in 3D zum Ziel.

Zu diesem Zweck kombinieren wir Röntgencomputertomographie mit Mikrometer Auflösung mit Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und der kürzlich entwickelten Spitzentechnologie SAXS-Tomographie für Untersuchungen auf Nanometer-Ebene. 3D Strukturinformation auf mehreren Längenskalen soll mit mechanischen Daten kombiniert und für multiskalige Modelle verwendet werden. Auch potenzielle systemische Auswirkungen auf den Körper werden untersucht. Dieser Ansatz erlaubt uns ein umfassendes Bild zur Knochenanpassung zu gewinnen und Modelle zu entwickeln, um die Reaktion des Knochens und zu verstehen und die mechanische Performance nach Einsatz und Abbau von resorbierbaren Implantaten vorherzusagen.

Direct link to Lay Summary Last update: 19.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Bio-resorbable tissue replacements have moved into the focus of research in recent years, with magnesium alloys being considered promising candidates for bio-resorbable bone implants. Since bone is a complex, highly adaptive tissue, known to react to mechanical stimuli and chemical influences, implant placement and successive degradation can be expected to alter the bone structure. These alterations are of great scientific interest because the resorbable implant/bone interface represents a model system for bone response to a continuously moving healing front and changing load situation. It is also of prime importance for future clinical use of bio-resorbable implants and optimization of medical treatment.The main aim of this project is to elucidate the multiscale structural changes in bone caused by a degrading Mg-implant, the correlation of structural changes with changing loading patterns and the consequences for the mechanical performance of bone. We aim at gaining a comprehensive picture about bone adaptation and developing models that can serve the understanding and prediction of bone response and mechanical performance. We will investigate the multiscale structure in rat bone at the interface to a bio-resorbable Mg implant, and further away from it. Investigations will be carried out at several time points during implant degradation and shall be correlated to the degradation kinetics, healing process and mechanical loading pattern. The influence of mechanical stimuli by physical training shall also be studied. We will combine x-ray computed tomography with micrometer / sub-micrometer resolution with nanostructure investigations using scanning small-angle x-ray scattering (SAXS) and SAXS tensor tomography (SASTT). Structural 3D information on multiple length scales shall be combined with local mechanical data and fed into multiscale models. Bio-resorbable implants hold immense clinical promise and can be regarded as the implant materials of the future. A detailed understanding of the multilevel structural changes of bone during implant degradation is still missing. Except for our own preliminary results, nanostructure changes in response to bio-resorbable implants have not been studied in the literature. Our approach is highly innovative: we combine structural 3D information (obtained in part by the cutting edge method SASTT), with mechanical data and 3D multiscale models to eventually predict bone reaction.
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