Wstępna ocena właściwości strukturalno-elektrycznych w zakresie niskich częstotliwości biomateriałowego modelu doświadczalnego kości długich w stanie patologicznym

• Autorzy: Uklejewski R. , Czapski T. , Winiecki M.

Warianty tytułu

EN

Preliminary study of structural-electrical properties in the low frequency range of experimental biomaterial models of long bones in a pathological state

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Przedstawiono wyniki doświadczalnych badań porównawczych dotyczących metod wytworzenia biomateriałowego modelu kości długich w stanie patologicznym, tj. nie w pełni zmineralizowanych (stan osteomalacji) oraz o obniżonym kościotworzeniu (stan osteoporotyczny), otrzymanego na bazie wołowych kości udowych, z wykorzystaniem stosowanych w inżynierii biomateriałów metod częściowego odbiałczania i częściowego odwapniania. Ten biomateriałowi model kości długich jest niezbędny do prowadzenia doświadczalnych badań właściwości strukturalno--elektrycznych kości długich w celu zbudowania prototypowego systemu pomiarowo-obliczeniowego do wyznaczania gęstości i parametrów porosprężystych kości długich prawidłowych i osteoporotycznych oryginalną nieinwazyjną metodą elektroosteodensytometrii (zgłoszenie patentowe krajowe i międzynarodowe). Proces odbiałczania prowadzono porównawczo z użyciem roztworów NaOCl, H2O2, KOH i NaOH, natomiast proces odwapniania próbek kości wołowych prowadzono porównawczo z użyciem roztworów HNO3, HCl i EDTA oraz w mieszaninie roztworów HNO3 i HCHO. Zbadano kinetykę przeprowadzonych procesów, monitorując stężenia białka oraz wapnia w zastosowanych roztworach w funkcji czasu. Na podstawie zbadanych przebiegów procesów możemy obecnie zarekomendować do wytworzenia biomateriałowych modeli doświadczalnych kości długich w stanie patologicznym: o obniżonym kościotworzeniu – odbiałczanie z użyciem 7% roztworu nadtlenku wodoru (H2O2), a dla nie w pełni zmineralizowanych – odwapnianie z użyciem 0,5 M roztworu kwasu solnego (HCl). Przedstawiono pilotażowe wyniki doświadczalnej analizy właściwości strukturalno-elektrycznych biomateriałowego modelu kości długiej w stanie obniżonego kościotworzenia (badano trzy częściowo odbiałczone kości udowe wołowe) z wypełnieniem porów modelu wieloelektrolitowym płynem fizjologicznym Ringera, w zakresie niskich częstotliwości (od 20 Hz do 10 kHz) i w zależności od lokalizacji badanej próbki wzdłuż trzonu kości długiej. Stwierdzono, że: 1) wartości modułu impedancji elektrycznej jednostkowej |Z1| [Ω/cm] trzonu modelowej kości długiej osteoporotycznej maleją bardzo wyraźnie w funkcji częstotliwości w zakresie od 20 Hz do 500 Hz; od częstotliwości 500 Hz do 2 kHz zmiany wartości |Z1| są niewielkie, a powyżej częstotliwości 2 kHz wartość modułu impedancji jednostkowej |Z1| praktycznie nie zależy od zmian częstotliwości; 2) średnia wartość modułu impedancji elektrycznej jednostkowej |Z1| trzonu modelowej kości długiej osteoporotycznej okazała się względnie stała wzdłuż długości trzonu kości i wynosiła ok. 670 Ω/cm dla częstotliwości 100 Hz oraz ok. 630 Ω/cm dla częstotliwości 10 kHz. Otrzymane pilotażowe wyniki pomiarów parametrów elektrycznych określających właściwości strukturalno-elektryczne kości długich osteoporotycznych wymagają potwierdzenia na większej liczbie próbek trzonowo-kostnych częściowo odbiałczanych; planujemy też poszerzenie analizy doświadczalnej właściwości strukturalno--elektrycznych kości długich o obniżonej mineralizacji (częściowo odwapnionych).

EN

We present the results of a comparative experimental study on methods considered for the manufacture of a biomaterial model of long bones in a pathological state, i.e. insufficiently mineralized bone (osteomalacia) and reduced osteogenesis (osteoporosis), obtained from bovine femoral bone, using methods applied in the engineering of biomaterials such as partial deproteinization and partial demineralization. The biomaterial model is required for experimental research into the structural-electrical properties of long bones, which will be carried out to build a prototype for a measurement system for the evaluation of bone densitometry and poroelastic properties with the use of an original and non-invasive method of electroosseodensitometry (Polish and international patent applications). The kinetics of chemical bone deproteinization processes in NaOCl, H2O2, KOH and NaOH solutions and chemical bone demineralization processes in HNO3, HCl, EDTA solutions and in a mixture of HNO3 and HCHO were comparatively studied and the protein and calcium contents were monitored as a function of time. On the basis of the functional graphs obtained from the observed processes, we can currently recommend the following conditions for manufacturing a biomaterial model of long bones in a pathological state: deproteinization using a 7% solution of hydrogen peroxide (H2O2) to produce a model of bone in a state of reduced osteogenesis and decalcification with 0.5 M hydrochloric acid (HCl) to produce a model of insufficiently mineralized bone. The results of a pilot experimental analysis of the structural-electrical properties of the biomaterial model of long bones are presented for a state of reduced bone formation (osteoporotic; three partially deproteinized bovine femurs were examined). The bone pores of the model were filled with physiological multielectrolyte Ringer’s saline and assessed in a low frequency range (20 Hz to 10 kHz) as a function of the location of bone shaft samples along the diaphysis. It was found that: 1) values of the modulus of the unit electrical impedance |Z1| [Ω/cm] of the bone shaft of the model osteoporotic long bone decreased very clearly as a function of frequency in the range from 20 Hz to ca. 500 kHz; from a frequency of 500 Hz to 2 kHz, the changes in the |Z1| value were small, and above 2 kHz, the |Z1| value practically did not depend on frequency changes. 2) The mean value of the modulus of the unit electrical impedance |Z1| of the bone shaft of the model osteoporotic long bone was found to be relatively constant along the length of the bone shaft and was about 670 Ω/cm for a frequency of 100 Hz and about 630 Ω/cm for a frequency of 10 kHz. The results of the preliminary study on the structural-electrical properties of long bone shafts in a pathological (osteoporotic) state require confirmation in a full experimental study on a larger number of model osteoporotic long bones; we are also planning to extend the experimental analysis to the structural-electrical properties of long bones with impaired mineralization (partially decalcified).

Słowa kluczowe

PL

właściwości elektryczne kości długich; osteoporoza; osteomalacja; biomateriałowy model doświadczalny kości; odbiałczanie kości; odwapnianie kości

EN

electrical properties of long bones; osteoporosis; osteomalacia; experimental biomaterial model of long bones; deproteinization; decalcification

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 17, no. 126
• Strony: 12--22
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Uklejewski R.

• Zakład Podstaw Bioinżynierii Medycznej, Instytut Techniki, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy, ul. Karola Chodkiewicza 30, 85-064 Bydgoszcz
• Zespół Inżynierii Bioprocesów i Biomateriałów Medycznych, Zakład Inżynierii Procesowej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, pl. Marii Skłodowskiej-Curie 2, 60-965 Poznań

autor

Czapski T.

• Zakład Podstaw Bioinżynierii Medycznej, Instytut Techniki, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy, ul. Karola Chodkiewicza 30, 85-064 Bydgoszcz

autor

Winiecki M.

• Zakład Podstaw Bioinżynierii Medycznej, Instytut Techniki, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy, ul. Karola Chodkiewicza 30, 85-064 Bydgoszcz
• Zespół Inżynierii Bioprocesów i Biomateriałów Medycznych, Zakład Inżynierii Procesowej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, pl. Marii Skłodows kiej-Curie 2, 60-965 Poznań

Bibliografia

• [1] Brighton C.T., Wang W., Seldes R., Guihong G., Pollack R.: Signal transduction in electrically stimulated bone cells. Journal of Bone and Joint Surgery 83A(10) (2001) 1514-1523.
• [2] Uklejewski R.: O efektach elektromechanicznych w porowatej kości zbitej wypełnionej płynem fizjologicznym i efekcie akustoelektrycznym w trzonach kości długich mokrych, /rozprawa habili. s.203/. Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN. Wyd. IBIB PAN Nr 35 Warszawa 1994.
• [3] Sierpowska J., Lammi M.J., Hakulinen M.A., Jurvelin J.S., Lappalainen R., Töyräs J.: Effect of human trabecular bone composition on its electrical properties. Medical Engineering & Physics 29(8) (2007) 845-852.
• [4] Sierpowska J., Töyras J., Hakulinen M.A., Saarakala S., Jurvelin J.S., Lappalainen R.: Electrical and dielectric properties of bovine trabecular bone relationships with mechanical properties and mineral density, Physics in Medicine and Biology 48 (2003) 775-786.
• [5] Sierpowska J., Hakulinen M.A., Töyras J., Day J.S., Weinans H., Jurvelin J.S., Lappalainen R.: Interrelationships between electrical properties and microstructure of human trabecular bone, Physiological Measurement 51(20) (2006) 5289-5303.
• [6] De Mercato G., García Sánchez F.J.: Variation of the electric properties along the diaphysis of bovine femoral bone. Medical & Biological Engineering & Computing 29(4) (1991) 441-446.
• [7] Meaney P.M., Zhou T., Goodwin D., Golnabi A., Attardo E.A., Paulsen K.D.: Bone Dielectric Property Variation as a Function of Mineralization at Microwave Frequencies, International Journal of Biomedical Imaging 2012 (2012):649612 doi: 10.1155/2012/649612.
• [8] Kosterich J.D., Foster K.R., Pollack S.R.: Dielectric properties of fluid-saturated bone – the effect of variation in conductivity of immersion fluid. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 31(4) (1984) 369-374.
• [9] Chakkalakal D.A., Johnson M.W.: Electrical properties of compact bone. Clinical Orthopaedics and Related Research 161 (1981) 133-145.
• [10] Chakkalakal D.A.: Electrical conductivity of compact bone in vitro. Proceedings of Society for Biomaterials 8th Annual Meeting (1982) 15.
• [11] Black J., Mattson RU.: Relationship between porosity and mineralization in the Haversian osteon. Calcified Tissue International 34 (1982) 332-336.
• [12] Kosterich J.D., Foster K.R., Pollack S.R.: Dielectric permittivity and electrical conductivity of fluid saturated bone. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 30 (1983) 81-86.
• [13] Chakkalakal D.A., Johnson M.W., Harper R.A., Katz J.L.: Dielectric properties of fluid-saturated bone. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 27 (1980) 95-100.
• [14] Uklejewski R., Czapski T.: Drobot’s algebraic theory of dimensional analysis in construction of system of mechanoelectric analogies. Application to the problems of acoustoelectric waves propagation in porous long bones. PAMM 4(1) (2004) 588-589.
• [15] Uklejewski R., Czapski T.: Modele obwodowy i obliczeniowy przenoszenia drgań sprężystych w kościach długich wraz z towarzyszącymi napięciami i prądami elektrycznymi – wstępne symulacje komputerowe. Materiały XI Konferencji Naukowej „Zastosowanie Komputerów w Elektrotechnice ZKwE’ 2006” (2006) 203-204.
• [16] Czapski T.: Analiza parametryczna dla procesu generowania potencjałów elektrycznych towarzyszących przenoszeniu podłużnych drgań w kościach długich prawidłowych i osteoporotycznych. Materiały XII Konferencji „Zastosowanie Komputerów w Elektrotechnice ZkwE’2007”, (2007) 125-126.
• [17] Czapski T.: Modelowanie i komputerowa analiza elektroakustycznych zjawisk w kościach długich prawidłowych i osteoporotycznych, PhD Thesis, Poznan University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, Poznan (2008).
• [18] Uklejewski R., Czapski T.: Computational Analysis of Strain Generated Potentials (SGPs) associated with Transmission of Acousto-Elastic Vibrations in Normal and Osteoporotic Long Bones. International Conference of the Polish Society of Biomechanics “Biomechanics 2010” (2010) 239-240.
• [19] Uklejewski R., Czapski T.: Electric Transmission Line Approach to Non-Electric Transmission Lines. In: Transmission Lines: Theory, Types and Applications (Ed.: Welton D.M.). ISBN: 978-1-61761-300-5, Nova Science Publishers, USA, 2010.
• [20] Zgłoszenie patentowe nr P382344 w UP RP: Sposób nieinwazyjnego określania gęstości i parametrów porosprężystych kości długiej, autorzy wynalazku: Uklejewski R., Czapski T. /w trakcieprocedury patentowej/.
• [21] Patent application No. Euro-PCT/PL2008/000032 in European Patent Office: Uklejewski R., Czapski T., A method of the non--invasive determination of density and poroelasticity parameters of the long bone /actually patented in EPO in Munich/.
• [22] Bertazzo S., Bertran C.A.: Effect of hydrazine deproteination on bone mineral phase: a critical view. Journal of Inorganic Biochemistry 102 (2008) 137-145.
• [23] Castro-Ceseña A.B., Novitskaya E.E., Chen P., del Pilar Sánchez-Saavedra M., Hirata G.A., McKittrick J.: Comparison of demineralized and deproteinized bone, Materials Research Society Proceedings 1301 (2011) DOI: http://dx.doi.org/10.1557/opl.2011.194.
• [24] Chen P.Y., McKittrick J.: Compressive mechanical properties of demineralized and deproteinized cancellous bone. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 4 (2011) 961-973.
• [25] Chen P.Y., Toroian D., Price P.A., McKittrick J.: Minerals form a continuum phase in mature cancellous bone, Calcified Tissue International 88 (2011) 351-361.
• [26] Hui-fen X., Hui-yu H., Xiao-xue T, Jie C.: Biocompatibility of xenogenic bone materials prepared by different ways. Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research 15(47) (2011) 8749-8752.
• [27] Bowman S.M., Zeind J., Gibson L.J., Hayes W.C., McMahon T.A.: The tensile behavior of demineralized bovine cortical bone. Journal of Biomechanics 29 (1996) 1497-1501.
• [28] Castro-Ceseña A.B., Novitskaya E.E., Chen P., Hirata G.A., McKittrick J.: Kinetic studies of bone demineralization at different HCl concentrations and temperatures, Materials Science and Engineering C 31 (2011) 523-530.
• [29] Figueiredo M., Cunha S., Martins G., Freitas J., Judas F., Figueiredo H.: Influence of hydrochloric acid concentration on the demineralization of cortical bone. Chemical Engineering Research and Design 89 (2001) 116-124.
• [30] Lewandrowski K.U., Tomford W.W., Michaud N.A., Schomacker K.T., Deutsch T.F.: An electron microscopic study on the process of acid demineralization of cortical bone. Calcified Tissue International 61 (1997) 294-297.
• [31] Lewandrowski K.U., Venugopalan V., Tomford W.W., Schomacker K.T., Mankin H.J., Deutsch T.F.: Kinetics of cortical bone demineralization: controlled demineralization - a new method for modifying cortical bone allografts. Journal of Biomedical Materials Research 31 (1996) 365-372.
• [32] Tinling S.P., Giberson R.T., Kullar R.S.: Microwave exposure increases bone demineralization rate independent of temperature. Journal of Microscopy 215 (2004) 230-235.
• [33] Suvarna K., Layton C., Bancroft J.: Bancroft’s Theory and Practice of Histological Techniques, 7th Edition. New York: Churchill Livingstone, 2013.
• [34] Lowry O.H., Rosebrough N.J., Farr A., Randall R. J.: Protein measurement with the Folin phenol reagent. Journal of Biological Chemistry 193 (1951) 265-275.
• [35] Rosen A.D.: End-point determination in EDTA decalcification using ammonium oxalate. Stain Technology 56 (1981) 48-49.

Uwagi

PL

Praca finansowana w ramach badań statutowych Wydziału Matematyki, Fizyki i Techniki Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy.