Lacunar morphology and microcrack patterns in healthy and osteoporotic human bone

The present research focuses on the role played by lacunae, small cavities within the bone matrix, that form complex networks connecting the osteocytes. In subjects affected by osteoporosis, the morphology of bone changes, influencing the lacunar network and increasing fracture risk. The current work aims at characterizing this pathology by means of a comparison with healthy samples (in a blind approach), in order to identify its micro-scale peculiarities, that will affect the macro-scale mechanical response. The main goals focus on the identification of lacunar morphology though the quantitative evaluation of geometrical parameters and on the implementation of damage models, in order to detect the role of lacunae in a fracture propagation process. 3D images of human iliac crest bone and their embedded lacunae are obtained at ETH Zürich-Laboratory for Bone Biomechanics by means of high-resolution micro-computed tomography. The implementation of morphological lacunae parameters demonstrates a statistical significative difference among cortical and trabecular sections: due to the low number of analyzed samples, this is not sufficient to obtain clusters of healthy and osteoporotic specimens, but it is crucial in order to introduce a clear differentiation between the two categories. In addition to this, two different damage models are applied: while the stress limit algorithm does not provide a path of the crack propagation, the stress gradient algorithm identifies a clear direction of the fracture pattern. The damage starts from vessels or porosities on the external surface of the specimen. In all the considered samples, the damage pattern is highly influenced by the presence of lacunae: despite of the positive result, the main limitations reside in the high computational cost. In conclusion, morphological features of the lacunae are a key aspect to be investigated, but future insights should focus on the correlation between lacunae morphology and damaging mechanisms.

Il progetto di ricerca studia il ruolo svolto dalle lacune, cavità di piccole dimensioni presenti nella matrice ossea, che costituiscono una rete di comunicazione tra gli osteociti. Nei soggetti osteoporotici la morfologia dell’osso cambia, influenzando le interconnessioni tra le lacune ed aggravando il rischio di frattura. Lo studio mira alla caratterizzazione dell’osteoporosi per mezzo del confronto con campioni umani sani (esperimento in cieco), al fine di identificare le peculiarità su micro-scala che influenzeranno la risposta meccanica su macro-scala. Gli obiettivi principali riguardano l’identificazione della morfologia lacunare mediante la valutazione quantitativa dei parametri geometrici e l’implementazione di modelli di danneggiamento, utili nella comprensione del ruolo delle lacune nelle diverse modalità di propagazione del danno. Le immagini 3D della cresta iliaca e delle lacune presenti all’interno sono ottenute presso il Laboratory for Bone Biomechanics (ETH, Zurigo), mediante tomografia micro-computerizzata ad alta risoluzione. L’analisi dei parametri morfologici lacunari mostra una significativa differenza statistica tra sezione corticale e trabecolare: tale osservazione, a causa del ridotto numero di campioni analizzati, non è sufficiente per ottenere raggruppamenti distinti di campioni sani e osteoporotici, ma è essenziale per proporre una differenziazione tra le due famiglie di provini. Parallelamente, sono stati investigati due modelli di danneggiamento: differentemente dall’algoritmo di sforzo limite, l’algoritmo del gradiente di sforzo identifica una direzione di propagazione della frattura, la quale ha inizio da vasi o porosità presenti sulla superficie ossea. In tutti i campioni considerati, il danneggiamento è notevolmente influenzato dalla presenza delle lacune: nonostante tale risultato positivo, le principali limitazioni risiedono nell’elevato tempo computazionale richiesto. In conclusione, le ricerche future dovrebbero approfondire la correlazione tra le caratteristiche morfologiche delle lacune, aspetto cruciale da investigare, e l’iniziazione e propagazione del danno.