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Projekt
Mikrocharakterisierung der Zusammensetzung und Mechanik von Zementschichten in Kortikalknochen in Abhängigkeit von Alter und Gesundheitszustand
Antragsteller
Dr. Michael Wurmshuber
Fachliche Zuordnung
Biomaterialien
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554757145
Die Forschung zur Knochenmechanik ist größtenteils durch altersbedingte Knochenbrüchigkeit und Osteoporose motiviert. Hier schlagen wir vor, die Zementschicht (ZS) zu untersuchen, ein wenig erforschtes Strukturelement, das wichtige Mechanismen zur Steigerung der Bruchzähigkeit von Knochen (Rissablenkung und –stopp) bietet. Trotz der wichtigen Rolle der ZS ist wenig über ihre Zusammensetzung und (mikro-)mechanischen Eigenschaften bekannt. Da die Dicke der ZS (3-5 µm) sie schwer charakterisierbar macht, schlagen wir vor, (mikro-)mechanische Tests, Zusammensetzungsanalysen und in vitro-Modifikationen durchzuführen. Mit diesem Forschungsprojekt wollen wir mechanistische Einblicke in die Struktur und Funktion der ZS bieten und hoffen, das langfristige Ziel zu unterstützen, die Vorhersage von Knochenfrakturen zu verbessern. Die Hypothesen sind: 1) Mikromechanische Eigenschaften von ZS (relativ zu ihrem umgebenden Knochenmaterial) korrelieren mit der Fähigkeit der ZS, Energie zu dissipieren, und beeinflussen somit die Bruchzähigkeit des kortikalen Knochens. Eine Vorhersage der Zähigkeitssteigerung von kortikalen Knochen basierend auf den mikromechanischen Eigenschaften von ZS ist möglich. 2) Das Alter des Osteons und des Spenders, sowie Gesundheitszustand und -historie haben einen direkten und messbaren Einfluss auf Härte, E-Modul, Festigkeit und Verformungsverhalten der ZS und damit auf die Zähigkeitssteigerung von kortikalen Knochen. Wir werden gut charakterisierte Proben des menschlichen Oberschenkelhalses (osteoporotisch/gesund) aus einer früheren Studie und zusätzliche frische Proben verwenden. Wir werden fokussierte Ionenstrahlen und Laserablation verwenden, um Proben für mikromechanische Tests herzustellen, einschließlich Mikropillar-Druckversuche und Mikrobalken-Biegung. Zur Beurteilung der Zusammensetzung und des Gewebealters werden quantitative rückgestreute Mikroskopie, Neutralrot-Färbung und vibrationale optische Mikroskopie (Raman und FTIR) durchgeführt. Wir werden auch chemische Modifikationen wie Phosphorylierung und Glykation in vitro an Knochenproben sowie isolierten nicht-kollagenen Proteinen (Hauptbestandteil der ZS) als Modellsystem untersuchen. Wir werden multivariate lineare Regressionsmodelle verwenden, um Beziehungen zwischen Mechanik, Zusammensetzung, Modifikation und medizinischer Geschichte der Spender aufzudecken. Die Eigenschaften von ZS sind stark unterforscht, dennoch sind sie ein wichtiger Faktor für die Bruchzähigkeit im kortikalen Knochen. Wir bieten einen innovativen Ansatz, um diese Lücke zu füllen und unser Verständnis der Bruchmechanik von Knochen zu erweitern. Dies wird neue Computermodelle inspirieren und könnte auch zukünftige Frakturvorhersagen von Knochen beeinflussen. Die Ergebnisse werden auch für die Forschung an Biomaterialien und das bioinspirierte Design anwendbar sein.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen
Internationaler Bezug
Dänemark, Österreich, USA
Partnerorganisation
Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
