Influence of lacunae on bone strength and accumulation of microdamage

Bone is a dynamic material that continuously adapts its shape according to the external loading conditions. The remodelling process is orchestrated by the osteocytes, bone cells contained in elliptical cave-like structures called lacunae. The lacunar-canalicular network morphology changes significantly during the lifespan of an individual and a particularly intense remodelling occurs in nursing women. Due to the high calcium demand, the osteocytes enlarge the lacunae to release some of the calcium stored in bone. This process is known as osteocyte osteolysis and, in particular cases, may lead to osteoporotic fracture. In this thesis we investigated the role of the lacunar size from a mechanical point of view. In particular, a numerical approach has been used to study how the lacunar size affects the stress-strain distribution and the microdamage accumulation in human trabecular bone. A human iliac crest trabecula was scanned in the Laboratory for Bone Biomechanics at ETH Zürich, Zürich, Switzerland, at the nominal resolution of 1.2µm. The images were then synthetically altered, in order to enlarge the lacunae volume through a dilation process. A voxel-based microFE model was developed for studying the stress and strain peak distribution in the lacunae and their surroundings. In parallel, a microdamage algorithm was developed from scratch, using the Donaldson’s approach. The microFE results were then correlated with the lacunae size, finding a correlation between the lacunar porosity of the structure and the stress-strain distribution, which ultimately affects the microdamage accumulation.

L’osso è un materiale che modifica continuamente la sua struttura adattandola alle condizioni di carico alle quali è sottoposto. Il processo di rimodellamento è coordinato dagli osteociti, cellule dell’osso contenute in cavità ellittiche chiamate lacune. La morfologia del network formato da lacune e canalicoli si modifica sensibilmente durante la vita di un individuo e un rimodellamento particolarmente intenso avviene nelle donne durante la fase d’allattamento. A causa dell’elevata quantità di calcio, gli osteociti erodono le pareti delle lacune in cui sono contenuti, ingrandendole, per rilasciare parte del calcio contenuto nelle ossa. Questo fenomeno è conosciuto come osteolisi degli osteociti e, in casi particolarmente gravi, può causare fratture osteoporotiche. In questa tesi abbiamo studiato il ruolo che hanno le dimensioni delle lacune da un punto di vista meccanico. In particolare, è stato utilizzato un approccio numerico per studiare come le dimensioni delle lacune modificano lo stato di sforzo e deformazione e l’accumulo di micro-danneggiamento all’interno dell’osso trabecolare umano. Per fare ciò è stata scannerizzata una trabecola proveniente dalla cresta iliaca umana, presso il Laboratory for Bone Biomechanics dell’ETH di Zurigo, Svizzera, con una risoluzione di 1.2µm. Le immagini sono state poi modificate per aumentare il volume delle lacune. Successivamente un modello agli elementi finiti è stato sviluppato per studiare la distribuzione dei valori di picco degli sforzi e delle deformazioni dentro e nell’intorno delle lacune. Parallelamente è stato sviluppato ex novo un modello per il micro-danneggiamento usando l’approccio proposto da Donaldson. I risultati ottenuti sono poi stati messi in relazione alla dimensione delle lacune, trovando, in questo modo, una correlazione tra la porosità dovuta alle lacune e la distribuzione degli sforzi e deformazioni che, in ultima analisi influenza la formazione di micro-danneggiamento.