Optical mechanical and biochemical characterization of trabecular bone

Bone is a very complex and well-organized tissue; changes in composition and properties from molecular scale to organ level arise from the complexity of its structure. Age and pathological conditions influence bone response both mechanically and optically. The most common bone pathology is osteoporosis. Several treatments are available for osteoporosis, but no reliable methods are available to diagnose it at the early stage. The research is moving towards the development of new techniques able to non-invasively assess the conditions of bone and to detect changes in composition and/or structure in the very early phase of the pathology development. The knowledge of optic- mechanical correlation will be used to increase our understanding of the roles of components in the mechanical characteristics and to develop a non-invasive diagnostic tool for early detection of lesions and/or pathological conditions. The present work aims at providing novel information about optic-structure- mechanical properties in bone, trabecular bone in particular, with a special goal to increase our knowledge of the roles of bone components in the mechanical characteristics of the tissue using information from diffuse optical spectroscopy (DOS), a non-invasive technique already successfully used to diagnose pathologies in soft tissues. Human bone samples (56 samples from 12 patients who underwent arthoplasty of the hip) and bovine bone samples (10 samples from femurs of 5 healthy animals) were analyzed using several techniques. The optical properties were evaluated by Raman spectroscopy, DOS and µCT; the mechanical properties were determined by permeation tests, unconfined compression tests at the mesoscale and nanoindentaion tests. The mechanical behavior was further investigated by linking the mechanical properties at the nano-scale to those at the mesoscale through sample specific finite element models (FEM). Biochemical tests were finally performed to assess the collagen content in the tissue evaluating the hydroxyproline content The results of the analyses were then compared, to determine correlations among experimental and computational methodologies, emphasizing the possibility of using DOS to detect mechanical and biochemical parameters. If most of the determined correlations confirm known results from literature, some of them, like the relationship between the permeability and DOS spectra are novel. Permeability values present a statistical significant correlation with composition, collagen amount (R2=0.44 and p-value=0.02) and collagen to hydroxyapatite ratio (R2=0.66 and p-value=0.001). Such correlations confirm the possibility of using the DOS coefficient a, which describes the density of the structure, as an index of the mechanical features.; samples characterized by a high value of a present a better mechanical response i.e. high yield (R2=0.59 and p-value=0.0035) and ultimate stresses (R2=0.54 and p-value=0.0065). DOS results were further confirmed by direct measurements of collagen estimated by hydroxyproline analyses. Mann-Whitney tests do not highlight differences between measurements of collagen content made using these two different techniques. Therefore, this study is the first step in the elaboration of a new method to characterize bone tissue and opens the prospective of the development of a device that will permit a non-invasive analysis to early detect pathologies as osteoporosis.

L’osso è un materiale complesso; cambiamenti in composizione e struttura dalla scala molecolare fino alla macro-scala. L’età e le condizioni patologiche modificano sia la composizione sia la struttura del materiale con ripercussioni sia sulla risposta ottica sia meccanica del materiale. La patologia più diffusa è, senza dubbio, l’osteoporosi. A oggi, non esistono strumenti che permettono la diagnosi di questa patologia nelle prime fasi del suo sviluppo. Di conseguenza, la ricerca si sta muovendo verso lo sviluppo di nuove metodologie di diagnosi che siano in grado di individuare precocemente cambiamenti in composizione e struttura in maniera non invasiva. L’obiettivo primario di questo studio è l’indagine delle correlazioni tra proprietà ottiche e comportamento meccanico del materiale su scale differenti (meso- e nano- scala, in particolare) per riuscire a individuare l’osteoporosi sul suo nascere. Inoltre, l’analisi delle proprietà ottiche dell’osso trabecolare è stata eseguita usando la spettroscopia per mezzi altamente diffondenti (DOS), tecnica già utilizzata per la diagnosi di patologie nei tessuti soffici. Campioni di osso trabecolare umano (56 campioni da 12 pazienti sottoposti ad artroplastica dell’anca) e bovino (10 campioni da 5 animali sani) sono stati analizzati usando numerose tecniche. La risposta ottica è stata valutata usando la spettroscopia di Raman, DOS e µCT mentre le proprietà meccaniche sono state determinate con test alla mesoscala (prove di compressione non confinata), test alla nanoscala (prove di creep). Inoltre è stato implementato un semplice modello agli elementi finiti al fine di connettere le proprietà meccaniche alla meso- e alla nano- scala valutate sperimentalmente. Infine, il contenuto di collagene in ogni campione è stato definito valutando il contenuto d’idrossiprolina. Tutti i risultati sono stati analizzati e confrontati al fine di individuare correlazioni tra i parametri che descrivono le varie tecniche, con particolare attenzione alle capacità della DOS nella definizione della composizione e struttura dell’osso in maniera non invasiva. Alcune delle correlazioni individuate erano già note in letteratura (ad esempio, le relazioni tra i parametri istomorfometrici da µCT e parametri meccanici) mentre altre sono del tutto nuove. I valori di permeabilità sono correlati in maniera statisticamente significativa con il contenuto di collagene (R2=0.44 and p-value=0.02) e il rapporto tra idrossiapatite e collagene (R2=0.66 and p-value=0.001) valutato con la DOS. Inoltre, il parametro a che descrive gli spettri di diffusione della DOS connesso alla densità della struttura è correlato con lo sforzo di snervamento (R2=0.59 and p-value=0.0035) e di rottura (R2=0.54 and p-value=0.0065). In ultimo, la quantità di collagene individuati in maniera non invasiva con la DOS è stata confermata dall’analisi del contenuto d’idrossiprolina sui campioni idrolizzati. In ultimo, questo studio aggiunge nuove informazioni in termini di proprietà ottiche del tessuto osseo ed è il primo passo per lo sviluppo di un sistema non invasivo capace di descrivere la struttura e la composizione dell’osso usando la spettroscopia per mezzi altamente diffondenti.