The nanostructural role of water in lamellar bone and its implications on osteonal bone mechanics: A microscopic and optomechanical study

Abstract

Suyun taze kemikteki yapısal organizasyonun incelenmesinde, çevresel taramalı elektron mikroskobu kullanılarak kemiğin kurutulması sırasında oluşan boyut değişimine bakılmıştır. Dikey kesitlerde, lamellere dikey yönde %1.2, lamellere paralel yönde %0 kısalma; yatay kesitlerdeyse, her iki yönde de %1.4 kısalma görülmüştür. Çevresel taramalı elektron mikroskobunun geri dağılımlı elektron detektörü görüntüleri lamellerin yarısında daha az minerallenme, daha fazla su bulunduğunu göstermiştir. Bu nedenle, lamellere dik yöndeki kısalmanın, mineralize olmuş kolajen fibrili dizileri arasında mineral yerine daha fazla su dolu kanalların bulunması nedeniyle olduğunu öneriyoruz. Kanalların, rotatif kontraplaklar şeklinde modellenmiş lameler kemikteki kristal yüzeylerine paralel olmaları nedeniyle, kristal dizileri değişik yönlerdeki kısalmayı yönlendirmekte ya da engellemektedir. Minerallenmiş kolajen fibrili dizilerinin oluşturduğu primer çepersel lameler kemiğin yerini, daha sonra ikincil osteonal lameler kemik alır. Bu iki tür lameler kemiğin mekanik özellikleri, kemiğin yeniden modellenme sırasında yük altındaki işlevini anlamak amacıyla incelenmiştir. Yirmi minipig kortikal kemik örneğinin 2-mikrometrelik deplasman kademeleri sırasında oluşan yük altında gösterdiği deformasyon, ortogonal olarak düzlem içi (x,y) ve düzlem dışı (z) yönde optomekanik yöntemle incelenmiştir. Stress ve gerinimin lineer regresyonu sonucunda kısmen modellenmiş kemikte ortalama E1 ve ?12 değerleri 7.9 ± 2.1 GPa ve 0.3 olarak bulunmuştur. Çepersel lameler kemikte E1, ortalama 9.4 ± 2.0 GPa, ve osteonal kemikte E1, ortalama 6.8 ± 0.8 GPa olarak bulunmuştur.

The microstructural organization of water in bone was investigated using the environmental scanning electron microscope to analyze the dimensional changes that occur during dehydration of equine osteonal bone. In longitudinal sections, 1.2% contraction perpendicular to the lamellae, 0% parallel to the lamellae; in transverse sections,1.4% contraction both parallel and perpendicular to the lamellae were observed. Scanning electron microscopy back scattered electron images showed that about half of an individual lamella is less mineralized, thus more hydrated, indicating that contractions perpendicular to lamellae are due to the presence of more water-filled rather than mineral-filled channels within the mineralized collagen fibril arrays. As these channels are also aligned with the crystal planes, the crystal arrays facilitate or hinder contraction in different directions. The mineralized collagen fibril arrays, laid down in the form of primary circumferential lamellar bone are replaced with secondary osteonal lamellar bone. The mechanical properties of these two types of lamellar bone are studied to understand how bone functions under load during the remodelling process. Twenty minipig cortical bone samples were tested using an optomechanical testing system. Deformation of tissue after each 2-micrometer compression increment was detected orthogonally in-plane (x,y) and out-of-plane (z). Linear regression of stress and strain of partially remodelled bones gave an E1 and ?12 of 7.9 ± 2.1 GPa and 0.3. The circumferential lamellar bone had an average E1 of 9.4 ± 2.0 GPa compared to the average E1 of 6.8 ± 0.8 GPa for the osteonal bone.