Development of a computational bone remodeling FE model integrating mechanostat theory considerations and homeostasis analysis

This thesis introduces a novel approach, realized in collaboration with the University of Seville, for the comprehensive development of a femur FE model integrating a complex computational bone remodeling model. Bone remodeling refers to the complex mechano-biological processes that adapt the bone structure in reaction to changing external mechanical stimuli. This adaptation is essential for achieving bone structural changes, enabling to maintain an optimal equilibrium state and effectively withstand new mechanical loading conditions. The relevance of computational biological models is constantly increasing, along with in silico experimentation, which merges the benefits of in vitro and in vivo experiments, creating a virtual environment for simulated biological processes. This particular kind of simulations regarding results advantageous for conducting experimentation of biological processes, avoiding issues related to the time required for the experiments, lowering costs and eliminating ethical concerns associated with live animal experimentation, while creating a model that mimics closely in vivo conditions. The computational model is built upon the foundational research of Professors Martínez Reina, Calvo Gallego, and Pivonka, expanding their initial work from a single analysed element, to a global FE model of a femur. Scaling up the model allows for the consideration of more complex loading conditions, enabling a detailed investigation into their impacts on bone structure and behavior. The presented model explores the complex signaling pathways that govern the proliferation and activities of cell populations,linking these biological processes to mechanical factors such as density and strain levels. Additionally, the thesis introduces two algorithms designed to establish initial conditions across the entire femur model. These include the development of a table outlining initial conditions and the definition of the initial density distribution by analyzing the grayscale distribution derived from CT scans, providing the use of precise anatomical data, for initialization of simulations. The analysis uses mechanostat theory and hypothesize homeostasis along the bone remodeling process to provide insights regarding the selection of the correct initial density distribution and for the selection of the τeq parameter. This parameter essentially establishes the mechanostat curve position for the femur model, determining bone formation or resorption. Additionally, it highlights the pivotal outcomes of the analysis, drawing connections between theoretical principles and their practical implications in understanding bone behavior under varying conditions. The bone remodeling model depicted here holds significant promise for bridging the gap between mechanical analysis and pharmaceutical applications. Its utility in assessing the impact of customized medical treatments will be crucial, specifically for treating medical conditions like osteoporosis or studying bone fracture repairing treatments.

Questa tesi introduce un approccio innovativo, realizzato in collaborazione con l'università di Siviglia, per lo sviluppo di un modello FEM che possa integrare anche un complesso modello computazionale di rimodellamento osseo. La definizione "rimodellamento osseo" si riferisce ai complessi processi meccano-biologici che adattano la struttura ossea in relazione ai cambiamenti degli stimoli meccanici esterni. Questa adattabilità è essenziale per ottenere cambiamenti strutturali nelle ossa, consentendo di mantenere uno stato di equilibrio ottimale e di resistere efficacemente alle nuove forzanti e alle nuove condizioni di carico a cui è sottoposto l'apparato scheletrico. L'importanza dei modelli biologici computazionali è in costante aumento, di apri passo con la sperimentazione in silico, che fonde i benefici degli esperimenti in vitro e in vivo creando un ambiente virtuale per simulare processi biologici. Questo tipo particolare di simulazioni risulta vantaggioso per la conduzione di esperimenti sui processi biologici, evitando problemi relativi al tempo richiesto per gli esperimenti, riducendo i costi ed eliminando le preoccupazioni etiche associate alla sperimentazione su animali vivi, pur creando un modello che imita da vicino le condizioni in vivo. Il modello computazionale si basa sulla ricerca fondamentale dei professori Martínez Reina, Calvo Gallego e Pivonka, espandendo il loro lavoro iniziale da un singolo elemento analizzato, a un modello FEM globale di un femore. Scalare il modello consente di considerare condizioni di carico più complesse, abilitando un'indagine dettagliata sul loro impatto sulla struttura e sul comportamento osseo. Il modello presentato esplora i complessi percorsi di segnalazione che governano la proliferazione e le attività delle popolazioni cellulari, collegando questi processi biologici a fattori meccanici come densità e deformazioni. Inoltre, la tesi introduce due algoritmi progettati per stabilire le condizioni iniziali in tutto il modello del femore. Questi includono lo sviluppo di una tabella che delinea le condizioni iniziali e la definizione della distribuzione iniziale della densità analizzando la distribuzione in scala di grigi derivata da una tomografia computerizzata, fornendo l'uso di dati anatomici precisi, per l'inizializzazione delle simulazioni. L'analisi utilizza la teoria del meccanostato e ipotizza l'omeostasi lungo il processo di rimodellamento osseo per fornire un metodo riguardo alla selezione della corretta distribuzione di densità iniziale e per la selezione del parametro τeq. Questo parametro stabilisce essenzialmente la posizione della curva del meccanostato per il modello del femore, determinando formazione o riassorbimento osseo. Inoltre, evidenzia i risultati cruciali dell'analisi, tracciando collegamenti tra principi teorici e le loro implicazioni pratiche nella comprensione del comportamento osseo in condizioni variabili. Il modello di rimodellamento osseo qui descritto detiene il potenziale per colmare il divario tra l'analisi meccanica e applicazioni nell'ambito farmaceutico. La sua utilità nella valutazione dell'impatto dei trattamenti medici personalizzati sarà cruciale, in particolare per trattare condizioni mediche come l'osteoporosi o studiare trattamenti per la riparazione delle fratture ossee.