Effect of morphological and clinical parameters on damage accumulation in porcine trabecular bone

Osteoporosis is a metabolic disease of the bone that undergoes a reduction of its resistance due to the loss of its mass and to the micro-architectural deterioration. It follows that the risk of fracture increases, in other words the osteoporotic bone is weaker than a healthy one. Despite its primary role in assessing bone strength, bone mineral density (BMD) accounts only for about 70% of fragility fractures, while the remaining 30% could be explained by other parameters, particularly of bone microarchitecture. Porcine vertebrae are the subject matter of this research. In particular, only the trabecular bone, the inner part of the vertebrae, has been studied because the cortical bone, the compact layer that wraps around the spongy tissue, is less inclined to bone loss and it’s harder, stronger and stiffer. The porcine vertebrae were selected because they have a structure similar to those of humans. The first aim of this work is to understand what bone morphology has a lower tendency to damage, induced experimentally by a compression test. The second aim is to analyze how an applied load changes the micro-architecture parameters of the bone. A dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) and a micro-computed tomography (μCT) were carried out to evaluate the initial morphology of the bone specimens. Subsequently the samples were compressed to induce damage and to evaluate their mechanical properties. Lastly a DXA and a μCT were performed on the damaged specimens. From the analysis carried out it is verified that a bone with a low density has a higher tendency to damage than a denser one. The shape of the trabeculae resulted to be an index of predisposition to damage. Moreover, it is clear from the obtained results that the compression test has modified the bone’s microarchitecture.

L'osteoporosi è una malattia metabolica dell'osso il quale subisce una riduzione della resistenza a causa della perdita di massa ossea e del deterioramento microarchitettonico. Ne consegue un aumento del rischio di fratture, in altre parole l'osso osteoporotico è più debole di uno sano. Nonostante il suo ruolo fondamentale nella valutazione della resistenza ossea, la densità minerale ossea (BMD) spiega solo il 70% delle fratture fragili, mentre il restante 30% potrebbe essere spiegato con altri parametri, in particolare quelli relativi alla microarchitettura ossea. Le vertebre suine sono l'oggetto di questa ricerca. In particolare, solo l'osso trabecolare, parte interna delle vertebre, è stato studiato in quanto l'osso corticale, strato compatto che avvolge il tessuto spugnoso, è meno incline a una perdita ossea ed è più duro, resistente e rigido. Le vertebre di maiale sono state scelte perché hanno una struttura simile a quelle dell’uomo. Il primo obiettivo di questo lavoro è quello di capire quale morfologia ossea ha una minore propensione al danneggiamento, indotto sperimentalmente attraverso una prova di compressione. Il secondo obiettivo è quello di analizzare come un carico applicato cambia i parametri di micro-architettura del tessuto osseo. Una mineralometria ossea computerizzata (MOC) e una microtomografia computerizzata (μCT) sono state svolte per valutare la morfologia iniziale dei provini di ossa. In seguito i provini sono stati compressi per indurre un danneggiamento e per valutare inoltre le loro proprietà meccaniche. Da ultimo si sono effettuate nuovamente una MOC e una μCT sui provini danneggiati. Dalle analisi svolte si è verificato che un osso con una bassa densità risulta più propenso al danneggiamento rispetto ad uno più denso. La forma delle trabecole è risultata essere un indice per la predisposizione al danneggiamento. Inoltre si evince dai risultati ottenuti che la prova di compressione ha modificato la microarchitettura dell’osso. Questo tesi è stata strutturata in cinque capitoli. Nel primo si fornisce una breve descrizione dell’osso e dell’osteoporosi, motivando inoltre la ragione per cui si è deciso di usare ossa di maiale. Nel secondo si presentano le prove eseguite e i risultati numerici ottenuti. Nel terzo si mostrano alcune analisi preliminare, necessarie per svolgere le analisi, illustrate nel quarto capitolo, che hanno permesso di ottenere i risultati sopracitati. Infine nell’ultimo capitolo si traggono le conclusioni proponendo i possibili futuri sviluppi del lavoro portato a termine.