Mechanobiology of healing and regeneration of bone
Creators: name: Vetter, Andreas Christian
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2010
Subjects: subject: Simulation
subject: Knochenheilung
subject: Gewebemuster
subject: Mechanobiologie
subject: simulation
subject: bone healing
subject: tissue pattern
subject: mechanobiology
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie
subject: WD 2100

description: Knochen ist ein multifunktionales Organ und zugleich ein biologisches Material. In dieser Arbeit wird der Heilungsverlauf eines Knochenbruchs (als biologisches Material) näher untersucht mit Hilfe von Computermodellen. Im menschlichen Körper kommt es nach einem Bruch zu einer vollständigen Regeneration des Knochens, ohne dass eine Narbe nach der Heilung zurückbleibt. In grob 10% der Frakturen kommt es jedoch zu Komplikationen bis zu einem Nicht-Heilen des Bruches. Das Ziel von intensiver interdisziplinärer Forschung ist es daher, nicht nur die medikamentöse Behandlung solcher Komplikationen zu verbessern, sondern auch durch externe, biophysikalische Stimulation die Heilung anzuregen. Gewöhnlich heilt ein Knochenbruch nicht direkt (Primäre Knochenheilung), das heißt durch Bildung von neuem Knochen im Knochenspalt, sondern über Sekundäre Knochenheilung. Während der sekundären Heilung bildet sich vorübergehend zusätzliches Gewebe außerhalb des Frakturspaltes, der so genannte Kallus, der die Aufgabe hat, den Bruch zu stabilisieren. Im Kallus werden im Laufe der Heilung verschiedene Gewebearten gebildet (z.B. Bindegewebe, Knorpel und Knochen). Die Gewebe werden von spezialisierten biologischen Zellen gebildet. Die spezialisierten Zellen entwickeln sich aus mesenchymalen Stammzellen (d.h. sie differenzieren), die in den Kallus wandern. Hauptziel der Arbeit ist das bessere Verständnis der mechano-biologischen Regulation der Gewebeformation während der Heilung eines normalen Knochenbruches. Dazu wurden Computersimulationen durchgeführt und mit experimentellen Daten eines Schafmodels verglichen.
description: Bone is a multifunctional organ, a biological material and is able to fully restore bone fractures without leaving a scar. However, in about 10% of the bone fractures, healing does not lead to a successful reunion of the broken bone ends. Intensive interdisciplinary research therefore looks for new ways to promote healing not only by medication, but also by external biophysical stimulation. Usually, bone fractures do not heal by a direct bridging of the fracture gap with newly formed bone (primary bone healing). Instead, secondary bone healing proceeds indirectly via the formation of an external callus (additional tissue). Within the callus, intricate tissue type patterns are formed, which evolve during the healing progression. Stem cells differentiate into specialized cells, which lay down different tissues such as fibrous tissue, cartilage and bone. This cell differentiation can be biophysically stimulated, e.g. by mechanical deformation of the cytoskeleton. The main aim of this thesis was to connect the microscopic cell response to mechanical stimulation with the macroscopic healing progression. Simple rules for cell behaviour were implemented in a computer model, the progression of healing was simulated and the outcome of the simulations was compared to results from animal experiments. In comparison to existing simulations of bone healing, this study approached the problem from a more physical viewpoint and linked experimental in vivo data and computer modelling.