Theoretical and experimental study of load-induced fluid flow phenomena in compact bone tissue

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Theoretical and experimental study of load-induced fluid flow phenomena in compact bone tissue

Doctoral Thesis

Author(s):

Knothe Tate, Melissa Louise

Publication date:

1997

Permanent link:

https://doi.org/10.3929/ethz-a-001918005

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Diss. ETH Nr. 12420

Theoretical and Experimental Study ^of

Load-Induced Fluid Flow Phenomena in

Compact ^{Bone Tissue}

DISSERTATION for the degree ^of

DOCTOR OF THE TECHNICAL SCIENCES of the

SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

ZURICH, SWITZERLAND

tE

presented by

MELISSA LOUISE KNOTHE TATE

B.

S. Mechanical Engineering ^and Biological Sciences, ^Stanford University Dipl. Masch.-Ing. ^{ETH Zurich}

bom

on

March 28, ¹⁹⁶⁵

citizen of the United States of America

accepted

^on

the recommendation of Professor Dr. Peter Niederer, ^Examiner

Professor Dr. med. Dr. sci. (h.c.) Stephan ^{M. Perren,} Co-examiner

1997

3

Abstract

Form andfunctionare

intimately

^{related in bones}

constituting

^the

appendicular

^skeleton.

The effect ofmechanical

loading

^onbonearchitecture as well as the

interdependence

^of

bone form and mechanical

loading

^{conditions are}

usually

subsumed under Wolffs Law. Given the

importance

of skeletal function in

supporting

^the musculoskeletal

system, protecting

^{the inner} organs ^and

maintaining

^metabolic

homeostasis,

^a

plethora

ofresearch has been devoted to

explaining

^the observational

phenomena

characterized

by

^{this law.}

Although

^a number of researchers have

developed

^theories

implicating

somemanifestation of mechanicalforcessuchasstress, strain and strain energy

density

forfunctional

adaptation,

the mechanisms

underlying dynamic

^bone

growth

^and

repair

in response^tomechanical and metabolic stimuli have been established

only

ⁱⁿ

part

^and crucial

aspects

^remainunresolved.

In interstitial spaces of soft tissues and organs, molecular diffusion is considered to be the

major contributing

^{mechanism for}

transport

^{of various}

physiological

fluids and solutes. In

compact bone, however,

^we

hypothesize

^that

distancesbetween

capillaries

and bone cells are in

part

^too

long

and available channels

aretoonarrowto allowfor sufficient diffusionwithin time

periods required

^for

healthy

metabolism. The

impermeability

of bone is intrinsic to its

load-bearing

function. It is this function which

provides

^an alternate mechanism for molecular

transport

ⁱⁿ

bone,

i.e. load-inducedfluidflow.

Physiological loading

^{of the}

poroelastic,

fluid filled tissue of

compact

^{bone is}

postulated

^{to cause} microdeformations of the fluid spaces,

creating

pressure

gradients,

^{which in turn cause fluid}

displacements

^{to occur. These} deformation-induced fluid

displacements

may allow for convective

transport phenomena

which enhance molecular

transport

from the blood

supply

^{to the outermost}

osteocytes

^withina

given

^osteon,thus

helping

^toensuremetabolic function.

In addition to the

possible

^role load-induced fluid flow

plays

ⁱⁿ

enhancing

moleculartransport^within

bone,

^ithasbeenput forththat load-induced flow contributes to the

regulation

of functional

adaptation

processes

by transmitting

^{shear stresses}

directly

^atthe cellular

level,

^and/or

by causing

electromechanical

streaming potentials

^to

occur, which in turn may alter

osteocyte

^membrane

permeability

^or

trigger voltage-

sensitive ion channels.

Although

^indirect

proof

^for load-induced fluid flow can be found in the literature

pertaining

^to

streaming potentials,

^{we know ofno}

experimental

studies in which fluid flow _per se has been studied in bone tissue

subjected

^to

controlledmechanical loads.

In orderto

explore

^fluid

transport

processes within

compact

^bone

tissue,

^we

developed

theoretical and

experimental

^{methods to assess} deformation-induced

displacements

^{within the}

transport system

^of

compact

^bone. These methods were

implemented

^inorderto

approach

^the

problem

^{from fivedistinct}vantage

points,

^{each of}

which is

presented

^ina

chapter

of this thesis.

First,

^afinite element

(i.e. FE)

^{model was}

developed

^to

predict

the relative contribution of convective and diffusive

transport

mechanisms forthemaintenanceof local

equilibria

within the lacunocanalicular system, theosteon as awholeanda

composite system comprising

many ^osteons. Based on this

model,

^{a new}

theory

^{of bone}

remodelling

^{based on} convective and diffusive

transport

processes is

proposed. Secondly,

^{an ex vivo}

perfusion

model of the

sheep

^forelimb

was

developed

^{in order to measure} load-induced fluid

displacements

^within

perfused

bone tissue.

Using

^this

^model,

^{it could be shown that} load-induced fluid flow

represents

^a

powerful

^{mechanism to enhance molecular}

transport

^{within the} lacunocanalicular system^of

compact

^{bone tissue.}

Thirdly,

^an in vitro model based on

small

cylindrical specimens

excised from the

metacarpus

^was

developed

^to

study

deformation-induced

displacements

within bone

tissue, irrespective

^{of blood flow or}

perfusion.

^{Based on}

preliminary

studies with this

model,

it could be shown that the

promotion

of molecular

transport by

^mechanical

loading

induced fluid flow is

dependent

^on

cycle

^{number and}

loading

^rate.

Fourthly,

^{to visualize}

transport pathways

for molecular tracers of different molecular

weights,

^{an in vivo diffusion}

study

^was

conducted,

the results ofwhich showed that diffusivetransport^{alone is not}efficient for the transport ^of

larger

molecules such as

proteins

^{from the blood}

supply

^{to the} osteocytes. ^{Given the}

physiological

^{role of}

proteins

^as carriers for small molecules and

ions,

^the

necessity

for another mechanism suchasconvective

transport

via load-induced fluid flow for maintenance of metabolic and

adaptive remodelling activity

^was

underscored.

Finally,

^we

implemented

^ourtracer

techniques

^{with an in vivo model of}

the rat tibia in order to

begin

^to elucidate the

relationship

^between load-induced fluid flow

phenomena

^andcellular processes involvedⁱⁿ

adaptive

^bone

remodelling.

5

Zusammenfassung

Der Knochen

passt

^sichseiner

biologischen

^und mechanischen

Umgebung

^{an, um eine}

moglichst optimale

^Form und Struktur fur

physiologische Belastungen

^{zu erhalten.}

Trotz aller

Forschung

ist der genaue Mechanismus dieser

Anpassung allerdings

^noch

nicht

eindeutig

^{erklart worden. Die} meisten Theorien

postulieren

^{einen direkten}

mechanischenEinfluss auf den Knochenumbau. Eine

Voraussetzung

^{dafiir ware, dass}

jede

Zelle des Knochens iiber eine Art Sensorik

verfugen

^{miisste, um}

Abweichungen

vom

gewohnten Belastungsmuster

^zu

spiiren

^{und sich}

dementsprechend

anpassen ^zu

konnen;

da verschiedene Zellen auch verschieden belastet

werden,

^miisste sogar

jede

Zelle individuell

einprogrammiert

^{sein. Eine}

andere,

eventuell zusatzliche

Erklarungs- moglichkeit

ware, die funktionelle

Anpassung

der Knochenstruktur als

Transport- problem

^zu betrachten. Hierbei miisste der Knochen iiber keine

speziellen Fahigkeiten verfugen,

^{um zu}

erkennen,

ob das normale

Spannungsniveau

iiber- oder unterschritten

wird,

^{denn die}

Steuerung

^des Knochenumbaus ware nur eine

Frage

^von

Angebot

^und

Nachfrage

^vonz.B.

Metaboliten,

Mineralstoffenund/oder

osteotropischen

^Stoffen.

Obwohl Diffusion ein

wichtiger

^{Prozess beim}

Transport

und Austausch von

Molekulen im

Organismus ist,

^habenverschiedene

Untersuchungen gezeigt,

dass in der

Knochenmatrix,

^{wo 85% des Volumes aus}

lasttragendem

^Material

(Mineral

^und

Collagen) ^besteht,

Diffusion allein fur den molekularen

Transport

nicht genugen

kann,

umdie

Versorgung

^der Knochenzellen

(d.h. Osteozyten)

sicherzustellen. Ein weiterer

moglicher

Mechanismus fur den molekularen

Transport

ⁱⁿ der Knochenmatrix

ergibt

sich aus der Funktion des Knochens im Rahmen des

Bewegungsapparates.

^{Wie von}

Piekarski und Munro 1977 erstmals

postuliert,

^{fuhren die}

aufgrund

^der

zyklischen Belastung

^{des Knochens} entstehenden Deformationen

hypothetischerweise

^zu

Stromungen

^der interstitiellen

Fliissigkeit

^{im Knochen.}

Aufgrund

^dieser

belastungsinduzierten Stromungen

^{entstehen konvektive}

Vorgange,

^{welche den}

Transport

uber grossere Distanzen bewirken konnen.

Indieser Arbeit wurde derEinflussvonDiffusions- und

Konvektionsvorgangen

als

Teilaspekt

^der funktionellen

Anpassung

^der Knochenstruktur sowie der metabolischen

Anforderungen

des Knochens untersucht. Das Problem wurde von fiinf verschiedenen

Gesichtspunkten

angegangen. Erstens wurde mittels theoretischer Finite Elemente

Modellierung

das Verhaltnis zwischen konvektivem und diffusivem

Transport

in einem idealisierten Osteon Modell erfasst und mit

experimentellen

^{Daten von}

"daily

strain histories"

(nach

^{Rubin und}

Lanyon 1984) verglichen.

^{Zweitens wurde ein ex}

vivo Perfusionsmodell vom Schafsvorderbein

entwickelt,

^um

Fliissigkeits-

verschiebungen

^{in einem}

zyklisch

^belastenen

Metacarpus

^{in situ zu messen. Diese}

Experimente zeigten,

^{dass der}

Transport

^von Markiermittel in der Kortikalis des belasteten Knochens entschieden grosser istals in

derjenigen

des unbelasteten. Drittens

wurden in vitro

Untersuchungen

^der

Volumenverschiebungen

ⁱⁿ

Mikroproben

^des

Metacarpus (vom Schaf) durchgefiihrt,

wobei bewiesen werden

konnte,

^{dass der unter}

Belastung

verbesserte

Transport

ⁱⁿ

Mikroproben,

^im

Vergleich

^zu

demjenigem

^von

unbelasteten,

^vonderAnzahl

Zyklen

^{sowie der}

Belastungsrate abhangt.

Viertens wurde eine in vivo Diffusionsstudie

gemacht,

^{um die}

Perfusionswege

^{fur Molekule}

unterschiedlicher Grossen im Kortikalis und

Spongiosa

^derRattentibiaund -metacarpus

zu visualisieren. Diese Studie

zeigte,

dass Diffusion allein fur den molekularen

Transport

^vongrosseren Molekulen

(z.B. Eiweissen)

^nicht

geniigt,

^{um die}

Versorgung

der

Osteozyten

sicherzustellen. Schliesslich haben wir diese Tracer Methoden in einem in vivo Modell

angewandt,

^{um den}

Zusammenhang

^{zwischen den}

belastungsinduzierten Fliissigkeitsstromungen

^{und den mit der}

Steuerung

^des

Knochenumbaus verbundenen zellularen

Vorgangen

^zuverdeutlichen.