Multimodal characterization of the compositional and mechanical properties at the interface between Achilles' tendon and calcaneous bone

The tendon-to-bone attachment, referred to as enthesis, is a complex multi-tissue site connecting two highly dissimilar materials, i.e. the soft compliant tendon and the hard-mineralized bone, over a very small region of about 500 µm. Tissue interfaces are of paramount importance in the clinical context: the tendon-to-bone insertion site is often injured following overloading but current treatments struggle to restore the pristine structure-function relationship and have high failure rates. Previous studies have highlighted the highly complex tissue composition and organization at the interface; much less is known about the corresponding local variations in mechanical properties. A detailed knowledge of the local mechanical behavior at the attachment site is considered crucial to tune therapeutic options leading to an improved clinical outcome. This Master Thesis focuses on the structure-function relationship at the tendon-to-bone attachment. We performed a multimodal investigation combining Raman spectroscopy to measure tissue composition and nanoindentation to map the local tissue mechanical properties at the Achilles' tendon to bone interface in a rat model. We characterized two anatomically adjacent but yet distinct regions; namely, the interface between periosteal fibrocartilage and bone and the interface between enthesis fibrocartilage and bone. The former serves to facilitate sliding of the tendon on the bone surface while the latter allows a proper load transfer from tendon to bone. We discovered that a gradual transition in elastic properties from non-mineralized (i.e. Young's modulus of about 1-4 GPa) to mineralized (i.e. Young's modulus of about 18-20 GPa) tissues which occurred over 50µm only present at the enthesis fibrocartilage; conversely the transition in elastic properties seen at the periosteal fibrocartilage was sharp and took place over a much thinner region of about 15 µm. The trends in elastic properties reflected the increase in the mineral as measured with Raman. The observed behavior at the interface is compatible with the dissimilar mechanical roles of the two cartilages.

L'attacco tendine-osso, indicato come entesi, è un complesso sito multi-tessuto che collega due materiali altamente dissimili, cioè il tendine cedevole e l'osso mineralizzato, su una regione molto piccola di circa 500 μm. Le interfacce tissutali sono di fondamentale importanza nel contesto clinico: il sito di inserzione tendine-osso è spesso danneggiato a seguito di sovraccarico, ma i trattamenti attuali faticano a ripristinare la relazione struttura-funzione incontaminata e presentano tassi di fallimento elevati. Precedenti studi hanno evidenziato la composizione e l'organizzazione del tessuto altamente complesse all'interfaccia; molto meno è noto circa le corrispondenti variazioni locali nelle proprietà meccaniche. Una conoscenza dettagliata del comportamento meccanico locale presso il sito di attacco è considerata cruciale per mettere a punto le opzioni terapeutiche che portano a un risultato clinico migliorato. Questa tesi di laurea si concentra sulla relazione struttura-funzione per l'attaccamento tendine-osso. Abbiamo eseguito un'indagine multimodale combinando la spettroscopia Raman per misurare la composizione del tessuto e la nanoindentazione per mappare le proprietà meccaniche del tessuto locale all'interfaccia tendine di Achille-osso in un modello di ratto. Abbiamo caratterizzato due regioni anatomicamente adiacenti ma distinte; vale a dire, l'interfaccia tra fibrocartilagine periostale e osso e l'interfaccia tra l'enthesis fibrocartilagine e l'osso. Il primo serve a facilitare lo scivolamento del tendine sulla superficie ossea mentre il secondo consente un corretto trasferimento del carico dal tendine all'osso. Abbiamo scoperto che una graduale transizione nelle proprietà elastiche da non mineralizzata (cioè il modulo di Young di circa 1-4 GPa) a tessuti mineralizzati (cioè il modulo di Young di circa 18-20 GPa) che si sono verificati oltre 50 μm sono presenti solo nella fibrocartilagine di entesi; al contrario, la transizione delle proprietà elastiche osservate alla fibrocartilagine periostale era acuta e avveniva su una regione molto più sottile di circa 15 μm. Le tendenze delle proprietà elastiche riflettevano l'aumento del minerale misurato con Raman. Il comportamento osservato all'interfaccia è compatibile con i ruoli meccanici dissimili delle due cartilagini.