UKE - Institut für Osteologie und Biomechanik - Medizintechnik ̸ Bioengineering

Bioengineering/ Medizintechnik

Heisenberg Forschungsgruppe

Die Veränderungen der ossären Morphologie und Komposition beeinflussen maßgeblich die Frakturresistenz. Aus diesem Grund wird die Summe aller Eigenschaften, die dem Knochengewebe Stabilität, Festigkeit und Schutz vor Frakturen bieten als Knochenqualität definiert. Zum umfassenden Verständnis der Knochenmaterialqualität analysieren wir die einzelnen Detailebenen, die dem komplexen hierarchischen Aufbau der Knochenstruktur zugrunde liegen. Der Knochenaufbau basiert hierbei auf charakteristischen Strukturen, die von der Nanometerebene, wie z.B. Kollagenfasern und Mineralpartikel (<500 nm), über die Mikrostrukturebene von Lamellen und Osteozytenlakunen (3 bis 20 µm) bis hin zu Osteonen, Havers’schen Gefäßen und einzelnen Trabekeln (100 bis 300 µm) reichen, wobei letztere Entitäten das makroskopische Bild der Knochenstruktur (>3 mm) prägen. Dabei können Analysen alters- und krankheitsbedingter Veränderungen in den einzelnen hierarchisch aufgebauten Ebenen zu einem besseren Verständnis der Mechanismen und Bedingungen führen, die ein erhöhtes Frakturrisiko verursachen. Ein besonderer Forschungsschwerpunkt bildet hierbei die Charakterisierung der ossären Ultrastruktur unter physiologischen und pathologischen Bedingungen. Hierfür wird ein integrierter Ansatz der Knochenqualitätsanalytik und Medizintechnik angewandt, der Mikrocomputertomographie (Micro-CT), Histomorphometrie, Synchrotron-Kleinwinkel (SAXS) und Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXD), Rückstreuelektronendetektion (BSE), Mikroanalytik (EDX, µRFA), Nanoindentation, Raman- und Fourier-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) und Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC) kombiniert, um die Hierarchieebenen von skelettgesunden und erkrankten Knochenstrukturen zu untersuchen. Es werden Riss-/Frakturprofile ermittelt (SEM), um die Interaktion der Knochenmatrixkomponenten zu bewerten und Einsichten in spezifische Knochenzähigkeits- bzw. Defektmechanismen zu gewinnen. Unser Ziel ist es, neue Erkenntnisse zu verschiedenen Ultrastrukturmerkmalen und deren Einfluss auf das biomechanische Verhalten von Knochengewebe zu gewinnen. Da diese materialwissenschaftlich-inspirierten Analysen die Daten aus medizinisch-biologischen Studien ergänzen können, sollen unsere Untersuchungen einen Wissensbeitrag zur Osteologie leisten und Perspektiven aufzeigen, die bei der Suche nach neuen Behandlungsmöglichkeiten von Skeletterkrankungen helfen.