Warum machen die Knochen nicht?
Können analytische Methoden der Materialwissenschaft helfen, die Forscher besser verstehen lernen, wie menschliche Knochen? Ein team an der Empa in Thun verfolgt genau diesen Ansatz.
Osteoporose ist eine weit verbreitete Krankheit. Jede Dritte Frau und jeder fünfte Mann sind betroffen durch Verlust der Knochenmasse mit zunehmendem Alter. Eine häufige Folge ist ein Bruch der schenkelhals—eine schmerzhafte Verletzung, die Massiv beeinträchtigt die Lebensqualität der betroffenen. Patienten müssen damit rechnen, dass langfristige Verlust der Mobilität. Lange Bettruhe und die damit verbundenen, oft schlechten Allgemeinzustand führen sogar zu einer erhöhten Sterblichkeit.
Die Krankheit führt zu einem Verlust der Knochenmasse durch ein Ungleichgewicht in den natürlichen umbauprozess des Gewebes und Veränderungen in der Knochen-Qualität. Diese änderungen Auswirkungen auf die Mikrostruktur, Dichte der Mikrorisse und gewebeeigenschaften.
Knochen haben eine äußerst komplexe Struktur. Wenn, zum Beispiel, ein Oberschenkel-Knochen wird aufgesägt, es kann gesehen werden, dass es aus einer harten äußeren Schicht und einer porösen Füllung. Unter dem Mikroskop, zylindrische Strukturen, die von konzentrischen Lamellen sind sichtbar im inneren der harten Schale, gruppieren sich um einen zentralen Blutgefäße. Diese einzelnen Schichten sind nur wenige Tausendstel Millimeter dick und bestehen aus einer Art von Natur-Faser-composite-material: Kollagen-Fasern in die mineralischen Partikel eingebettet sind, eingebettet in eine protein-haltige mineral-matrix. Je höher die Mineralisierung, desto steifer und zerbrechlicher Knochen. Diese hierarchische Struktur ermöglicht die Knochen zu robust und widerstandsfähig, trotz Ihrer relativ geringen Dichte. Wenn Knochen-Fraktur, ist es daher nicht ausreichend, nur auf die Dichte und Struktur des Knochens auf der makro-Ebene—Mechanismen in allen Skala reicht sind verantwortlich für die Fraktur.
Material-Analyse für die Knochen
Eine Forschungsgruppe an der Empa in Thun Leitung von Jakob Schwiedrzik Ziele zu gewinnen ein besseres Verständnis der Knochen-Fehler an den Lamellen Ebene. „Wenn man betrachtet nur die Knochendichte, wie es normalerweise der Fall in der klinischen Praxis heute, das Risiko von Knochenbrüchen für Patienten vorhergesagt werden kann, die relativ gut im Durchschnitt. In einzelnen Fällen, jedoch, können sich die Ergebnisse unterscheiden sich erheblich, und die effektive Bruch-Risiko möglicherweise falsch eingeschätzt“, erklärt Schwiedrzik. „Wir hoffen, dass unsere Forschung wird es uns ermöglichen, um genauere Vorhersagen für den einzelnen Patienten in der Zukunft.“
Die Forscher sind mit den Methoden, die tatsächlich zu Hause in der Materialforschung: Sie unterliegen selbst der kleinste Proben von Knochen material mit nur einer einzigen Lamelle, um Zug-und druckversuche. Sie untersuchen, wie das material ausfällt und wie die gemessenen Eigenschaften sind im Zusammenhang mit der zugrunde liegenden Mikrostruktur. In Mikrostruktur-Analyse, Raman-Spektroskopie und Transmissions-Elektronen-Mikroskope verwendet werden—sehr komplexe Instrumente, die es möglich machen, genau zu verfolgen, strukturelle Veränderungen in den Prüfobjekten.
„Im moment, die Fertigung und der Test von einem einzigen Knochen Probe benötigt noch viel Zeit—vor allem für Zug-tests“, erklärt Schwiedrzik. Um dies zu tun, Proben mit einer definierten geometrie muss zuerst produziert werden, aus dem material verwendet, mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahl. Um der Lage sein, zu analysieren, mehr Proben in weniger Zeit in der Zukunft und die statistische Auswertung der Experimente, einen großen Teil der aktuellen Arbeit besteht darin, die Automatisierung der sample-Herz-position “ und die Entwicklung eigener mess-setups.
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