Search

Though bone is known to adapt to its mechanical challenges, the relationship between the local mechanical stimuli and the adaptive tissue response seems so far unclear. A major challenge appears to be a proper characterization of the local mechanical stimuli of the bones (e.g. strains). The finite element modeling is a powerful tool to characterize these mechanical stimuli not only on the bone surface but across the tissue. However, generating a predictive finite element model of biological tissue strains (e.g., physiological-like loading) encounters aspects that are inevitably unclear or vague and thus might significantly influence the predicted findings. We aimed at investigating the influence of variations in bone alignment, joint contact surfaces and displacement constraints on the predicted strains in an in vivo mouse tibial compression experiment. We found that the general strain state within the mouse tibia under compressive loading was not affected by these uncertain factors. However, strain magnitudes at various tibial regions were highly influenced by specific modeling assumptions. The displacement constraints to control the joint contact sites appeared to be the most influential factor on the predicted strains in the mouse tibia. Strains could vary up to 150% by modifying the displacement constraints. To a lesser degree, bone misalignment (from 0 to 20°) also resulted in a change of strain (+300 µε = 40%). The definition of joint contact surfaces could lead to up to 6% variation. Our findings demonstrate the relevance of the specific boundary conditions in the in vivo mouse tibia loading experiment for the prediction of local mechanical strain values using finite element modeling.

Virtual Reality (VR), as a novel technology that allows the user to interact with an artificial environment, is a demanding multi-disciplinary field. It requires very efficient physics-based computations yielding reasonable accuracy, with plausible physical behavior being the minimum requirement. A simplified co-rotational FEM formulation, which accounts for large local rotations on element level, is used as a basis for computing deformational behavior in this paper. Real-time detection and realization of contact between deformable objects is a challenging task. The paper presents an approach to efficient contact detection between deformable objects, the geometry of which is described by triangulated surfaces, for the purpose of VR-simulation.

Bone has the remarkable capability to regenerate without forming any scar tissue upon a given injury. However, this intrinsic healing capacity can be impaired in some critical cases, such as large bone defects where a large piece of bone is missing. The current gold standard treatment for such defects is autologous bone grafting, where bone material is taken from another location in the patient and put into the defect to support it mechanically and biologically. Nevertheless, this treatment has several drawbacks, in particular the need for an additional surgery associated with donor site morbidities and a limited availability of bone material. An alternative treatment strategy is the use of 3D-printed bone scaffolds. Such implants are produced synthetically before the chirurgical intervention, can be made of metal, polymer or ceramic, and implanted into various defects to support their regeneration. However, how such scaffolds interact with the bone regeneration process has remained poorly understood so far, preventing scaffolds to become clinical routine practice in large bone defect treatment. In addition, scaffold design has mainly relied on trial-and-error approaches, requiring long, costly and ethically questionable experiments to assess the scaffold healing potential. This critical clinical issue was the starting point of this project. The aim of the thesis was therefore to propose an in silico methodology to design scaffolds for large bone defect regeneration that would be optimised for their ability to support the endogenous bone healing process. To do so, specific mechanisms of scaffold-supported large bone defect regeneration were investigated by means of a predictive computer model for bone regeneration. Next, the effect of individual scaffold design parameters were studied. In addition, the dynamics of the bone healing process was investigated by comparing healing outcome predictions at different healing time points. Lastly, a computational framework for bone scaffold optimisation was developed with the objective of maximising the amount of regenerated bone. The in silico investigation of scaffold-supported large bone defect regeneration used a coupled finite element analysis and agent-based model to simulate various experimental studies. The comparison between in silico predictions and experimental results revealed specific features of the regeneration process: (1) the lack of biological stimulation in large bone defects, that can be compensated by specific scaffold material or the addition of bone graft and (2) guidance provided by the scaffold surfaces on the cellular migration and tissue deposition processes. Specific scaffold designs were varied by changing the pore size, strut size or material properties. Overall, porous stiff scaffolds or more bulky softer scaffolds were found to be most beneficial for bone regeneration. However, precise pore or strut size recommendations depended largely on the underlying scaffold architecture, suggesting that a "one-fits-them-all" approach cannot be used to design optimal scaffolds. In addition, the modelling of different time horizons (initial mechanics and bone regeneration simulation) highlighted the dynamics of the bone regeneration process. Conclusions based on different time horizons contradicted each other: several scaffold designs seemed very favourable initially but were actually not predicted to support bone regeneration well. These observations emphasised the need for a dynamic optimisation process that would take the regeneration process into account. Lastly, a computational framework for bone scaffold design optimisation was developed. Its objective was defined as to maximise regenerated bone volume according to the mechanobiological bone regeneration model; scaffold designs were parametrised with a few variables (e.g. pore sizes or material properties). A surrogate optimisation approach was chosen to deal with the computationally demanding regeneration simulations: a simplified input-output relationship was derived from a set of initial simulations and used for the optimisation process to avoid too many demanding simulation runs. The results presented in the thesis proved the feasibility of the approach on a simplified cubic scaffold and a more realistic cylindrical scaffold. These results suggested that the initial design and its parametrisation should be carefully chosen to improve the optimisation outcome. Future work should further validate the computer model for scaffold-supported bone regeneration. A particular emphasis should be put on improving the computational efficiency of such models for their use in optimisation purposes. Next, more realistic, clinically-based scaffold designs should be employed in the optimisation framework, in combination with experiments. In that way, knowledge on scaffold healing potential and informed scaffold design for experiments could be improved iteratively. Knochen hat die bemerkenswerte Fähigkeit, sich nach einer Verletzung ohne Narbenbildung zu regenerieren. Allerdings kann diese inhärente Fähigkeit in bestimmten kritischen Fällen beeinträchtigt werden, zum Beispiel im Fall von großen Knochendefekten, bei denen ein großes Knochenstück fehlt. Die derzeitige Standardbehandlung für solche Defekte beinhaltet den Einsatz von autologem Knochenmaterial, wobei Knochenmaterial des Patienten aus einer defektfernen Stelle entnommen und in den Defekt implementiert wird, um ihn mechanisch und biologisch zu unterstützen. Diese Behandlungsmethode hat jedoch mehrere wesentliche Nachteile wie beispielsweise den zusätzlich erforderlichen chirurgischen Eingriff, der mit Morbidität an der Entnahmestelle verbunden ist, und die begrenzte Verfügbarkeit des Knochenmaterials. Eine alternative Behandlungsstrategie besteht darin, 3D-gedruckte Knochengerüste zu benutzen. Solche Implantate, bestehend aus Metall, Polymer oder Keramik, werden synthetisch vor dem chirurgischen Eingriff hergestellt und finden Anwendung in unterschiedlichen Defekten, um deren Regeneration zu unterstützen. Bislang bleibt unklar, wie genau solche Gerüste den Knochenregenerationsprozess beeinflussen, was deren alltägliche klinische Anwendung für die Behandlung von großen Knochendefekten unterbunden hat. Zur Bewertung des klinischen Potenzials eines Gerüstes wurde vor allem die Versuch-und-Irrtum-Methode herangezogen, welche langwierige, teure und mitunter ethisch fragwürdige Experimente erfordert. Dieses wichtige klinische Problem galt als Ausgangspunkt dieses Projekts. Ziel der Doktorarbeit war es also, eine in silico Methode zu entwickeln, um Gerüste für die Regeneration großer Knochendefekte zu konzipieren, die den endogenen Knochenheilungsprozess optimal unterstützen. Dazu wurden spezifische Mechanismen der gerüstgestützten Regeneration großer Knochendefekte anhand eines prädiktiven Computermodells für Knochenregeneration untersucht. Anschließend wurde der Effekt individueller Gerüstparameter studiert. Hierbei wurde die Dynamik des Knochenregenerationsprozesses erforscht, indem Heilungsvorhersagen nach bestimmten Heilungszeitpunkten miteinander verglichen wurden. Letztens wurde ein Computer-Framework für die Optimierung der Knochengerüste mit dem Ziel entwickelt, das Volumen regenerierten Knochens zu maximieren. Die in silico Untersuchung der gerüstgestützten Regeneration großer Knochendefekte baute auf einer gekoppelten Finite-Elemente-Analyse und agentenbasierte Modellierung auf, um verschiedene Experimente zu simulieren. Der Vergleich zwischen den in silico Vorhersagen und den experimentellen Ergebnissen lieferte mechanistische Einblicke in den Regenerationsprozess: (1) der Mangel an biologischer Stimulation in großen Knochendefekten, der durch den Einsatz von Gerüstmaterial oder Knochenmaterial kompensiert werden kann, und (2) der Einfluss der Gerüstflächen auf die Prozesse von Zellmigration und Gewebeanlagerung. Unterschiedliche Gerüste wurden simuliert, indem die Porengröße, die Stützengröße oder die Materialeigenschaften verändert wurden. Generell zeigte sich, dass poröse steife Gerüste oder voluminösere weichere Gerüste die Knochenregeneration am vorteilhaftesten unterstützen. Allerdings hingen die optimalen Poren- oder Stützengrößen größtenteils von der zugrunde liegenden Gerüstarchitektur ab, was darauf hinweist, dass eine allgemeingültige Empfehlung nicht angewendet werden kann, um optimale Gerüste zu konzipieren. Darüber hinaus zeigte die Modellierung von verschiedenen Zeitintervallen (initiale Mechanik und Simulation der Knochenregeneration) die Dynamik des Knochenregenerationsprozesses. Ergebnisse aus verschiedenen Zeitintervallen standen nämlich im Widerspruch zueinander: mehrere Gerüste schienen initial sehr vorteilhaft aber der Modellvorhersagen zufolge wurde die Knochenregeneration dann nicht gut unterstützt. Diese Feststellung bestätigte den Bedarf eines dynamischen Optimierungsprozesses, der auch den Regenerationsprozess berücksichtigen würde. Letztens wurde ein Computer-Framework für die Optimierung von Knochengerüsten entwickelt. Als Ziel wurde die Maximierung des Volumens des regenerierten Knochens nach dem mechanobiologischen Knochenregenerationsmodell gesetzt. Gerüste wurden anhand einiger Variablen (etwa Porengröße oder Materialeigenschaften) parametrisiert. Eine Surrogat-Optimierungsvorgehensweise wurde wegen der rechenintensiven Regenerationssimulationen gewählt: ein vereinfachtes Input-Output-Verhältnis wurde von einer Gruppe von initialen Simulationsläufen abgeleitet und für den Optimierungsprozess benutzt, um zu viele rechenintensive Simulationsläufe zu vermeiden. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit beweisen das Anwendungspotenzial dieser Methode für ein vereinfachtes kubisches Gerüst und ein realistischeres zylindrisches Gerüst. Diese Ergebnisse zeigen, dass das initiale Design des Gerüsts und dessen Parametrierung bedacht ausgesucht werden sollten, um den Optimierungsausgang zu verbessern. Zukünftige Forschungsarbeit sollte die Validierung des Computermodells für die gerüstgestützte Regeneration großer Knochendefekte fortsetzen. Insbesondere ist darauf zu achten, die rechnerische Effizienz dieser Modelle für deren Anwendung für Optimierungszwecke zu verbessern. Zusätzlich sollten realistischere, klinisch-basierte Gerüste für das Optimierungsverfahren mit komplementären Experimenten benutzt werden. Auf dieser Weise kann ein grundlegendes Verständnis für das Heilungspotenzial des Gerüstes geschaffen und ein fundiertes Design von experimentellen Gerüsten iterativ verbessert werden.

Critical size defects in bone and osteochondral defects in articular cartilage do not heal without clinical intervention. Current clinical treatments of both defect types are associated with strong limitations, which could be addressed by the development of tissue engineering (TE) treatment strategies. Collagen scaffolds with a highly aligned architecture have been previously shown to induce bone formation by endochondral ossification in large bone defects in vivo. The establishment of the endochondral ossification process has been proven to depend on the aligned architecture of the collagen scaffolds, without the need for the inclusion of additional biochemical factors. However, the direct clinical application of these collagen scaffolds is hindered by their extremely low stiffness (low kPa range), which determines the easy alteration of the aligned architecture by means of tissue forces and extracellular matrix deposition within the scaffold pores. Here, the limitations of the collagen scaffolds with highly aligned architecture are addressed by incorporation of a stiffer synthetic support structure, generating multiscale hybrid scaffolds. The aim of the support structure is not limited to the improvement of the mechanical stiffness of the scaffold system at tissue level, but it extends also to the steering of the tissue regeneration process by means of different scaffold-dependent mechanical cues, which could be achieved by different types of support structures, e.g. a stiff and a compliant one. In fact, the development of bone through endochondral ossification happens by first establishing a cartilaginous template, which is then mineralized. Moreover, the formation of bone and cartilage has been associated to mechanical stimuli of lower and higher magnitude, respectively. Therefore, mechanical cues determined by the stiffness at tissue level of the hybrid scaffolds are intended to be used to guide tissue formation towards either bone or cartilage. The successful establishment of this approach would enable the use of controlled mechanics for applications beyond bone defect healing, e.g. in the treatment of osteochondral defects. In this thesis, a stiff and a compliant support structure to be included in the hybrid scaffolds were designed. Thereafter, the production of the support structures by selective laser sintering from poly(ε-caprolactone) was optimized in terms of material choice and resulting support structure properties. Moreover, stiff and compliant support structure architectures with significant differences in stiffness and fatigue resistance in in vivo-like conditions were designed. Subsequently, stiff and compliant hybrid scaffolds were produced and characterized in terms of morphology of the collagen walls, mechanical properties, and in vitro cell-material interactions. Concurrently, the ideal mechanical and architectural properties of scaffolds for osteochondral defect regeneration were here investigated by means of a computational model. Die Heilung von großen Knochendefekten, sowie osteochondralen Defekten ist gegenwärtig stets auf eine klinische Intervention angewiesen. Allerdings weisen derzeitige Behandlungsmethoden von beiden Defekten erhebliche Limitationen auf. Die Entwicklung von neue Methoden basierend auf „Tissue Engineering“ (TE) könnten dazu beitragen, diese Limitationen auszugleichen. Für kollagen-basierte Biomaterialien mit einer gerichteten Porenstruktur wurde kürzlich gezeigt, dass sie eine endochondrale Ossifikation anregen können. Die Implantation dieses Biomaterials in einen großen Knochendefekt im Femur der Ratte führte zu einer Knochenbildung, die rein auf die Architektur des Materials zurückzuführen ist und ohne die zusätzliche Behandlung mit biochemischen Faktoren auskommt. Der Nachteil dieser Biomaterialien ist allerdings ihre extrem geringe mechanische Stabilität resultierend aus einer niedrigen Steifigkeit. Diese Eigenschaft macht die direkte Anwendung dieser Scaffolds in großen Knochendefekten zunächst problematisch, da die gerichtete Porenstruktur durch die im Gewebe vorhandenen mechanischen Kräfte verloren gehen kann. Ziel dieser Arbeit war es, diese Limitation des Kollagenscaffolds durch eine zusätzliche Inkorporation einer synthetischen Stützstruktur mit höherer Steifigkeit zu überwinden und dadurch einen Hybridscaffold mit multiskalaren Eigenschaften zu entwickeln. Die Stützstruktur sollte hierbei nicht nur allein die mechanische Stabilität des Scaffolds verbessern, sondern auch je nach mechanischem Stimuli entweder den Heilungsprozess nach Knochen- oder Knorpelbildung durch endochondrale Ossifikation abstoppen. Dies hat den Hintergrund, dass die Gewebeeigenschaften in Entwicklung von Knochen und Knorpelgewebe in vivo mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften assoziiert sind. In diesem Projekt wurden die Zielgewebe-spezifischen mechanischen Stimuli durch unterschiedliche Designs, und damit auch unterschiedlichen Steifigkeiten (z.B. steif und weich), der Stützstrukturen erreicht. Wäre diese Methode erfolgreich, könnten die Hybdriscaffolds als Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe, sowie osteochondraler Defekte benutzt werden. In dieser Arbeit wurden je eine weiche und eine steife Stützstruktur für einen Hybridscaffold, die verschiedene Steifigkeit hatten und die in vivo Lasten tragen könnten, entwickelt. Danach waren steife und weiche Hybdridscaffolds hergestellt und ihren Eigenschaften (Kollagen Struktur, Steifigkeit, in vitro Zell-Materialen Interaktionen) gemessen worden. Außerdem wurde ein Computermodel etabliert, um die idealen mechanischen und strukturellen Eigenschaften eines Scaffolds für osteochondrale Defekte zu erforschen.

Mechanics plays a key role in bone regeneration as it modulates the biological events taking place during the process. Extensive research has been done on elucidating the mechanical “rules” driving bone regeneration in uneventful healing conditions. However, under compromised healing conditions (e.g. aging, large bone defects) the mechanical regulation of healing might be altered and result in delayed healing or non-unions. The aim of this thesis was to investigate to what degree the mechano-regulation rules that have been identified for regular, uneventful healing still play a role in more challenging conditions. Among these conditions, aging and large bone defects were the focus of this study. The influence of mechanics on therapeutic solutions, as bone morphogenetic protein 2 (BMP-2), was also investigated to understand its role in the treatment of critical healing conditions. A multiscale in silico approach that combined finite element analysis and agent-based computer models was used to simulate the bone healing process. The mechanical signals within the bone healing region were investigated using finite element techniques. Agent-based computer models simulated the cellular dynamics and BMP-2 concentration patterning within the callus. Computer model predictions were then compared to in vivo micro CT and histological data at several time points over the course of healing. Aging effects on the mechano-regulation of healing was investigated in silico by using a design of experiment approach. The mechanobiological regulation of large bone defect healing was investigated in untreated conditions, under BMP-2 provision, under additional mechanical stimulation and under the combination of the two treatments. The bone healing response to mechanical stimulation was observed to change with age. Reduction of cell mechano-response with aging could explain the differences on bone healing outcomes between adult and elderly mice under different mechanical stability. Limited cellular activity could explain non unions within untreated large bone defects. Furthermore, encapsulation of the medullary cavity was predicted in large defects due to an adverse mechanical environment. BMP-2 stimulated healing could be explained by its capacity to attract mesenchymal cells to migrate to the center of the fracture. Under BMP-2 treatment, the formation of a rigid callus since the first stages of healing was observed to weaken the contribution of additional mechanical stimulation on bone defect healing. This study shows that mechanics plays a key role also in compromised healing conditions. Age-related reduction of cellular mechano-response points out the importance of mechanical stimulation as potential rehabilitative therapy for elderly patients. Under the mechanical environment that characterizes large bone defects, limited migration of mesenchymal cells was observed to lead to marrow encapsulation. Dose-Regulated chemotaxis was identified as a strong promoter to bridge the defect extremities and guarantee successful healing in critical conditions. Die Mechanik spielt eine Schlüsselrolle bei der Knochenregeneration, indem sie die biologischen Vorgänge dieses Prozesses beeinflusst. Umfangreiche Studien zur Aufklärung der mechanischen „Regeln“, die die Knochenregeneration unter komplikationslosen Heilungsbedingungen erforschen, wurden bereits durchgeführt. Allerdings kann unter beeinträchtigten Heilungsbedingungen (z.B. Alterung, große Knochendefekte) die mechanische Regulation der Heilung verändert werden und zu verzögerter Heilung oder Pseudoarthrose führen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war zu untersuchen, inwiefern mechanisch-regulierende Regeln, die bei normaler, komplikationsloser Heilung identifiziert wurden, noch eine Rolle unter beeinträchtigten Bedingungen spielen. Unter diesen Bedingungen standen das Altern und große Knochendefekte im Mittelpunkt dieser Studie. Der Einfluss der Mechanik auf therapeutische Lösungen, wie die Anwendung des knochenmorphogenetischen Protein 2 (BMP-2), wurde ebenfalls untersucht, um deren Rolle in der Behandlung kritischer Heilungsbedingungen zu verstehen. Ein skalenübergreifender in silico Ansatz, der Finite-Elemente-Analyse mit agentenbasierten Computermodellen kombiniert, wurde verwendet, um den Knochenheilungsprozess zu simulieren. Die mechanischen Signale in der Region der Knochenheilung wurden mit Finite-Elemente-Methoden untersucht. Agentenbasierte Computermodelle simulierten die Zelldynamik und BMP-2-Konzentrationsmuster innerhalb des Kallus. Die Vorhersagen des Computermodells wurden dann mit in vivo Mikro-CT und histologischen Daten an mehreren Zeitpunkten im Verlauf der Heilung verglichen. Der Einfluss von Alter auf die mechanische Regulierung der Heilung wurde anhand eines Design of Experiment Ansatzes in silico untersucht. Die mechanobiologische Regulierung der Heilung großer Knochendefekte wurde unter unbehandelten Bedingungen, unter BMP-2-Versorgung, unter zusätzlicher mechanischer Stimulierung und unter der Kombination der beiden Behandlungen untersucht. Es wurde beobachtet, dass sich die Reaktion der Knochenheilung auf mechanische Stimulierung mit dem Alter verändert. Eine altersbedingte Reduzierung der mechanischen Reaktion der Zellen könnte die Unterschiede des Knochenheilungsergebnisses zwischen erwachsenen und älteren Mäusen bei unterschiedlicher mechanischer Stabilität erklären. Beschränkte Zellaktivität in dieser Population könnte hingegen Pseudoarthrose in großen Knochendefekten begründen. Darüber hinaus wurde die Verkapselung der Markhöhle in großen Defekten aufgrund einer ungünstigen mechanischen Umgebung vorhergesagt. BMP-2-stimulierte Heilung konnte dadurch erklärt werden, dass dieser Wachstumsfaktor die Migration mesenchymaler Zellen in die Frakturmitte bewirkt. Unter BMP-2 Behandlung wurde beobachtet, dass die Bildung eines rigiden Kallus in der initialen Heilungsphase den Beitrag zusätzlicher mechanischer Stimulierung zur Knochendefektheilung schwächt. Diese Studie zeigt, dass die Mechanik auch unter beeinträchtigten Heilungsbedingungen eine Schlüsselrolle spielt. Die altersbedingte Reduzierung der zellulären Mechano-Reaktion weist auf die Bedeutung der mechanischen Stimulation als mögliche rehabilitative Therapie für ältere Patienten hin. Unter der für große Knochendefekte spezifischen mechanischen Umgebung wurde beobachtet, dass eine begrenzte Migration von mesenchymalen Zellen zu einer Verkapselung des Knochenmarks führte. Es wurde festgestellt, dass eine dosisregulierte Chemotaxis die Überbrückung der defekten Extremitäten stark fördert und eine erfolgreiche Heilung unter kritischen Bedingungen gewährleistet.