Osteoporotic 대 건강한 뼈 조직의 생물역학적 특성

뼈 조직의 생물역학적 성질은 osteoporosis와 같은 진단 그리고 대우 조건을 위해 근본적입니다. Osteoporosis 약한 뼈는, 그(것)들을 골절에 더 감염시키기 위하여 뼈를 약화합니다. osteoporotic와 건강한 뼈 조직을 비교해서 저희를 이해하고 이 다름을 개량하고 의학 개입을 개량합니다. 이 기사는 구조상, 물자 및 기계적인 다름 및 그들의 임상적인 침식의 심층적인 검사를 제공합니다.

뼈 생물 공학은 무엇입니까?

뼈의 뼈가 힘과 부하에 반응하는 방법을 연구합니다. 주요 특성은 뻣뻣함, 힘, 신축성, 강인성 및 연성이 포함됩니다. 이러한 특성은 뼈가 일상적인 활동을 견딜 수 있는지 결정하고 끊기지 않고 충격을 견딜 수 있습니다. 이 분야는 분쇄 위험과 디자인이 더 나은 치료와 임플란트를 예측하기 위해 생물학적 원리를 통합합니다.

다중 스케일의 Bone 구성 및 구조

생물역학 차이를 이해하기 위해, 하나는 뼈의 계층 구조에 첫째로 평가해야 합니다. nanoscale에, 뼈는 hydroxyapatite 무기물 결정과 함께 강화된 교원질 유형 I 섬유의 합성입니다. 이 교원질 무기한 배열은 힘과 융통성의 그것의 유일한 조합을 줍니다. microscale에, 뼈는 lamellae로 조직됩니다, cancellous 뼈에 있는 코티컬 뼈 그리고 trabeculae에 있는 골반을 형성합니다.

Cortical versus 관 뼈

골절 (compact) 뼈는 덩굴이며, 기계 강도의 대부분을 제공하는 뼈의 외부 쉘을 형성합니다. 그것의 유공성은 낮은 (5-10 %)입니다. 대조적으로, 궤적 (cancellous) 뼈는 긴 뼈와 척추 안쪽의 끝에 발견 된 다공성 네트워크입니다. 그것은 매우 높은 포로 (50-90 %)를 가지고 있으며 신진 대사 활성입니다. Osteoporosis는 두 가지 유형에 영향을 미치지만 다른 뼈를 나타낸다. 골절 뼈는 더 얇고, 더 잃어버린 밀도가 더 큽니다.

Biomechanical 테스트 방법

연구자들은 여러 표준 테스트를 사용하여 뼈 생물역학 특성을 측정합니다. 이 방법은 뼈가 다른 로딩 조건에서 행동하는 방법에 대한 양적 데이터를 제공합니다.

압축시험:] Cubic 또는 원통형 뼈 샘플은 뻣뻣함과 항복 강도를 측정하기 위해 압축됩니다.
Tension 테스트: 뼈 견본은 인장 강도와 탄성 계수를 결정하기 위해 끌어 당깁니다.
3점 굽힘: 긴 뼈 (예: femur, tibia)는 두 가지 지원에 배치되며 생리적인 굽힘을 시뮬레이션하기 위해 중간 지점에서로드됩니다.
Torsion 테스트: Specimens는 전단 속성을 평가하는 데 비틀어집니다.

마이크로-컴퓨팅 투미그래피(micro-CT) 및 듀얼 에너지 X-ray absorptiometry(DXA)와 같은 비파괴적인 기술로 뼈 광 밀도(BMD) 및 미세조합 데이터를 제공함으로써 기계적 테스트를 보완합니다.

건강한 뼈 조직: 생물 기계 프로필

건강한 뼈는 짙고 잘 조직되어 우수한 지원 및 보호를 제공합니다. 그들의 생물 공학적 특성은 다음과 같습니다.

높은 뻣뻣함 (황화성 뼈를 위한 탄성 계수 ~17-20 GPa): 부하의 밑에 개악을 저항합니다.
절감에 강한 저항:전극성 강도 ~120-150 MPa전동 뼈.
Elasticity:] 영구 손상 없이 작은 변형에서 복구할 수 있습니다.
Toughness: 콜라겐 크로스링크 및 마이크로랙 경화 메커니즘 때문에, 촉감하기 전에 중요한 에너지를 흡수합니다.
Anisotropy: 속성은 뼈의 긴 축을 따라 가장 강한 로딩 방향과 다를 수 있습니다.

Osteoporotic 뼈 조직: 생물 기계적인 Deterior

Osteoporosis는 뼈가 풍부하게 증가하는 것을 지도하는 낮은 뼈 질량 및 미생물 탈부착에 의해 특색집니다. 중요한 기계적인 변화는 다음을 포함합니다:

절삭성: 탄성 계수는 30~50% 정도의 뼈를 떨어질 수 있으며, 더 변형이 가능합니다.
저 강도: 골절 전 최대 부하는 50% 이상 감소할 수 있습니다.
Decreased 신축성: 영구 변형은 더 쉽게 발생합니다.
절감성:절감 에너지는 실질적으로 낮아짐, 더 적은 충격이 파손을 일으킬 필요는.
더 큰 강모: 알갱이로 만들어진 콜라겐 크로스 링크는 플라스틱 변형 용량을 감소시킵니다.

이러한 변화는 물질의 변화 (예를들면, 증가된 광화, 이상적 콜라겐) 및 구조적 손실 (대형 얇게 펴고, 관통 및 연골성)에서 줄기를 나타냅니다.

재료 수준에서 비교 분석

교원질과 무기물 변화

골다공증에서, 교원질 네트워크는 변화됩니다. 강인성을 제공하는 몇몇 효소 교원질 교차 연결이 있고, 뼈를 강하게 하는 더 비 효소 교차 연결 (예를들면, 진보된 글리세레이션 끝 제품)를 제공하는 더 비 효소 간에 있습니다. 무기물 내용은 뼈를 강하게 하는 교원질 (고광 무기물에 matrix 비율)에 상대를 증가할지도 모릅니다 그러나 또한 그것을 더 과민하게 합니다. 과민한 물질에 이 교대에서 이 교대는 주요 요인에 있는 주요 요인 증가한 위험 요인입니다.

Microarchitectural 악화

궤적 연결의 손실은 특히 퇴색합니다. 건강한 궤적 뼈에서, 판 같이 구조는 지속적인 짐 방위 네트워크를 형성합니다. osteoporosis에서, 이 판은 막대 같이, 개발 구멍이 되고, 연결을 잃습니다. 이것은 뼈의 기능을 감소시키고, 골절을 시작시키는 국부적으로 긴장 농도를 창조합니다. 외피 뼈는 전분흡수에서 다공성 얇게 되고 뼈 전체 갱구를 약화하.

양적 차이: 데이터 쇼

수많은 연구는 건강한 골다공성 뼈 사이에 생물역학적 인 간격을 정량화했습니다. 예를 들어, Keyak et al. (1996)은 골다공증 환자가 40-60% 미만의 여성에 대한 여성이 연령에 맞는 건강한 통제를 통해 사망 강도를 입증했습니다. 국립 관절염 연구소 및 Musculoskeletal 및 피부 질환 (Numemia)은 거의 모든 신경질을 사용하여 거의 모든 밀도를 감소시킵니다. ]

골다공증과 관련된 골절 유형은 골절 (높은 morbidity 및 사망률), 척추 압축 골절 (포린 및 변형) 및 파괴 반경 골절을 포함합니다. 각각은 위에서 설명 한 변화 된 생물 공학에 의해 영향을받습니다.

치료 및 예방에 대한 징후

생물기계적 인 적층의 지식은 치료 전략을 안내합니다. 치료는 뼈 양과 품질을 개선하는 것을 목표로합니다.

항체 약물] (예: bisphosphonates, denosumab) 느린 뼈 회전율, 기존 미세조합을 보존하고 코뿔성 porosity를 감소. 그들은 BMD를 증가시키고 단단함을 개량합니다.
Anabolic Agent (예: teriparatide, romosozumab)는 새로운 뼈 형성을 자극하고, trabecular 연결성 및 연골 간격을 효과적으로 개량합니다. 학문은 손실 기계적인 중복의 일부를 복원할 수 있습니다.
Exercise and Physical Therapy] 뼈를 지원하는 근육을 강화하고, 낙하 위험을 감소시키고, 뼈 적응을 자극하는 유익한 기계적 부하를 적용합니다.
수직 개입(예:예: vertebroplasty, kyphoplasty) 시멘트를 가진 약한 척추 몸을 강화하지만, 일반 생역학을 복원하지 않습니다.
Implant design osteoporotic 환자는 종종 나사 augmentation 또는 더 큰 주입을 사용하여 약초 뼈에 안정된 고정을 달성합니다.

Biomechanical Research의 미래 방향

연구는 나노 스케일의 뼈 소재 특성을 더 잘 표현하는 것을 추구합니다. 특히 콜라겐과 비-코릴라제틱 단백질의 역할. Raman 분광 및 synchrotron 이미징의 진보는 광물과 콜라겐 품질의 situ 분석에 허용됩니다. 마이크로 CT 데이터에 훈련 된 기계 학습 모델은 BMD보다 더 정확하게 골절 위험을 예측 할 수 있습니다. 또한, 생체적 비계 및 뼈 대체의 개발은 건강한 뼈의 생물 공학 [LTF] [F] 엔지니어링 영역입니다. [F] [F] 엔지니어링 영역 : [F] [F] 엔지니어링 영역 : [F] [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역 : [F] [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역] [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역] 엔지니어링 영역] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역] 엔지니어링 영역 : [F] 엔지니어링 영역

또 다른 유망한 방향은 micro-finite 요소 분석과 결합된 micro-finite 원소 분석과 함께 비침범성 주변 quantitative에 의하여 계산된 tomography (HR-pQCT)의 사용은 환자에 있는 뼈 힘을 비침범적으로 견적합니다. 이것은 조밀도 근거를 둔 힘 근거한 paradigm에 있는 osteoporosis 관리를 변형할 수 있었습니다.