Growth, adaptation and aging of the skeletal system

• Autorzy: Weinans H.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Our skeletal system requires a certain amount of maintenance in order to withstand the external loading appropriately for a long period. This maintenance is performed by specializae cells; i.e., osteoclasts and osteoblasts, which continuously resorb and rebuild the bony matrix in small packages. It is presently not known how these cells are being signalled such that they undertake appropriate actions and resorb damaged (weak) bone and replace it with a new. It is well recognized that mechanical loading has an important effect on the cellular events. Mechanical load distribution in bony structures can be calculated using the finite element method. In addition, the effects on growth, adaptation and degeneration due to this loading can be incorporated into these models as well. That gives the opportunity to study the interaction between biological and mechanical aspects in bone tissue. In this study a few examples of such an interaction are simulated numerically and their biological or clinical consequences are discussed.

PL

Nasz układ kostny, aby dobrze znosić przez pewien czas obciążenia zewnętrzne, wymaga pewnej dozy podtrzymywania. Podtrzymywanie to przeprowadzane jest przez pewne wyspecjalizowane komórki, tzn. komórki kościogubne (osteoklasty) i komórki kościotwórcze (osteoblasty). Komórki te w małych porcjach ciągle wchłaniają i przebudowują substancję międzykomórkową. Aktualnie nie wiadomo jak te komórki otrzymują sygnały nakazujące podjęcie odpowiednich działań, wchłania uszkodzonej (słabej) kości i zastępowania jej nową tkanką kostną. Uważa się, że obciążenie mechaniczne odgrywa ważną rolę w zdarzeniach komórkowych. Rozkład obciążeń mechanicznych w strukturach kostnych można wyznaczyć przy zastosowaniu metody elementów skończonych. W tych modelach może być ponadto uwzględniony wpływ na wzrost, przystosowanie i degenerację wywołaną obciążeniem. Daje to możliwość badania interakcji pomiędzy aspektami biologicznymi i mechanicznymi w tkance kostnej. W niniejszej pracy podano kilka przykładów symulacji numerycznej takiej interakcji oraz przedyskutowano konsekwencje biologiczne czyli kliniczne.

Słowa kluczowe

EN

bone adaptation; bone resorption; computer model

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 1999
• Tom: nr 3
• Strony: 729--741
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Weinans H.

• Department Orthopaedics, Erasmus University Rotterdam

Bibliografia

• 1. ALLAIRE G., KOHN R.V., 1993, Optimal Design for Minimum Weight and Compliance in Plane Stress Using Extremal Microstructures, Eur. J. Mech. A/'Solids, 12, 839-878.
• 2. BIEWENER A.A., 1993, Safety Factors in Bone Strength, Calcif, Tissue Int., 53, S68-S74.
• 3. BOYDE A., ELLIOTT J.C., JONES S.J., 1993, Stereology and Histogram Analysis of Backseattered Electron Images: Age Changes in Bone, Bone, 14, 205-10.
• 4. BURGER H., 1995, Epidemiologic! Studies on Bone Mineral Density and Fractures, Academisch Proefschrift. Rotterdam: Erasmus Universiteit Rotterdam.
• 5. CARTER D.R., 1987, Mechanical Loading History and Skeletal Biology, J. Bio-mech., 20, 1095-1109.
• 6. CARTER D.R., ORR T.E., FYHRIE D.P., 1989, Relationships Between Loading History and Femoral Cancellous Bone Architecture, J. Biomech., 22, 231-244.
• 7. CHOI K., KUHN J.L., CiARELLI M.J., 1990, Goldstein SA the Elastic Moduli of Human Subchondral, Trabecular, and Cortical Bone Tissue and the Size-Dependency of Cortical Bone Modulus, J. Biomech., 23, 11, 1103-1113.
• 8. CURREY J.D., 1988, The Effect of Porocity and Mineral Content on the Young's Modulus of Elasticity of Compact Bone, J. Biomech., 21, 131-139.
• 9. DUNCAN R.L., TURNER C.H., 1995, Mechanotransduction and the Functional Response of Bone to Mechanical Strain, Gale. Tissue Int., 57, 344-358.
• 10. ERIKSEN E.F., LANGDAHL B., 1995, Bone Remodeling and its Consequences for Bone Structure, In: Odgaard A., Weinans H. (edit.), Bone Structure and Remodeling, Singapore: World Scientific Publishing.
• 11. FYHRIE D.P., CARTER D.R., 1986, A Unifying Principle Relating Stress to Trabecular Bone Morphology, J. Orthop. Res., 4, 304-317.
• 12. HUISKES R., WEINANS H., VAN RIETBERGEN B., 1992, The Relationship Between Stress Shielding and Bone Resorption Around Total Hip Stems and the Effects of Flexible Materials, Clin. Orthopaedic Rel. Res., 274, 124-34.
• 13. LADD A.J., KINNEY J.H., HAUPT D.L., GOLDSTEIN S.A., 1998, Finite-Element Modeling of Trabecular Bone: Comparison With Mechanical Testing and Determination of Tissue Modulus, J. Orthop. Res., 16, 5, 622-628.
• 14. MELTON L.J., CHRISCHILLES E.A., COOPER C, LANE A.W., RIGGS B.L., 1992, How Many Woman Have Osteoporosis? J. Bone Mineral Res., 7, 1005-1010.
• 15. MULLENDER M.G., HuiSKES R., WEINANS H., 1994, A Physiological Approach to the Simulation of Bone Remodeling as a Self-Organizational Control Process, J. of Biomechanics, 27, 1389-1394.
• 16. MULLENDER M.G., HUISKES R., 1995, A Proposal for the Regulatory Mechanism of Wolff's Law, J. Orthop. Res., 13, 503-512.
• 17. MUNDY G.R., 1989, Local Factors in Bone Remodeling, Recent Prog. Horm. Res., 45, 507-527.
• 18. ODGAARD A., 1997, Three Dimensional Methods for Quantification of Cancellous Bone Architecture, Review. Bone, 20, 315-328.
• 19. PRENDERGAST P.J., WEINANS H., 1998, Tissue Adaptation as a Discrete-Dynamical Process in Time and Space. In: Synthesis in Bio Solid Mechanics, Pedersen and Bends0e, Edit. Proc. Symposium of the International Union of Theoretical and Applied Mechanics: Lygby, Denmark, Kluwer Academic Publishers.
• 20. RECKER R.R., 1993, Architecture and Vertebral Fracture, Calcif. Tissue Int., 53, S139-S142.
• 21. VAN RIETBERGEN B., WEINANS H., HUISKES R., ODGAARD A., 1995, A New Method to Determine Trabecular Bone Elastic Properties and Loading Using Micromechanical Finite-Element Models, J. Biomech., 28, 69-81.
• 22. VAN RIETBERGEN B., ODGAARD A., KABEL J., HUISKES R., 1998, Relationships Between Bone Morphology and Bone Elastic Properties Can be Accurately Quantified Using High-Resolution Computer Reconstructions, J. Orthop. Res., 16, 23-28.
• 23. RODIN G.A., 1996, Coupling of Bone Resorption and Formation During Bone Remodeling. In: Osteoporosis, Marcus R., Feldman D., Kelsey J., (edit.), Lon¬don, Academic Press
• 24. RUEGSEGGER P., ROLLER, B., MULLER R., 1996, A Microtomographic System for the Nondestructive Evaluation of Bone Architecture, Calcif Tissue Int., 58, 24-29.
• 25. SIGMUND O., 1994, Design of Material Structures Using Topology Optimization. Danish Centre for Applied Mathematics and Mechanics, PhD Thesis, Lyngby, Denmark.
• 26. WEINANS H., HUISKES R., GROOTENBOER H.J., 1992, The Behavior of Adaptive Bone Remodeling Simulation Models, J. Biomech., 25, 1425-1441.
• 27. WEINANS H., PRENDERGAST P.J., 1996, Tissue Adaptation as a Dynamical Process Far From Equilibrium, Bone, 19, 143-149.