In vivo microindentation for the assessment of bone material properties

Abstract

El objetivo principal de esta tesis es el estudio de la aplicación de microindentación del hueso en la clínica. El uso de la densidad mineral ósea para evaluar la calidad ósea no es suficiente. De hecho, hay pacientes con densidad mineral ósea normal o casi normal que presentan fracturas. Se ha publicado que la capacidad predictiva de la densidad mineral ósea para el riesgo de fractura oscila entre el 65-70%. Esto podría explicarse por el hecho de que con la densidad mineral ósea estamos midiendo uno de los elementos de la resistencia ósea, pero quedan otros componentes sin medir. La microindentación es una nueva técnica que puede medir las propiedades del material del hueso directamente in vivo. Esta técnica permite determinar la dureza de un material, considerando dureza la resistencia a la penetración del indentador. La técnica de la microidentación consiste, por tanto, en aplicar una fuerza sobre la superficie ósea y medir la resistencia del material a la penetración en la superficie. Esta nueva técnica nos permite medir las propiedades intrínsecas del hueso in vivo. Hemos publicado dos artículos principales que validan la técnica. El primero de ellos muestra la validez de la técnica y su aplicabilidad clínica. En este primer trabajo, se estudian las diferentes propiedades materiales del hueso de dos grupos: uno de mujeres con fracturas osteoporóticas y el otro sin fracturas. Tras ajustar por edad encontramos que los pacientes con fracturas osteoporóticas tienen peores propiedades materiales, medidos por microindentación, en comparación con el grupo control. Y eso era, además, independiente de la densidad mineral ósea. Asimismo, en un estudio con microscopía electrónica hemos observado que tras la microindentación se ha producido la apertura de microcracks en la cortical ósea. Esto es muy similar a lo observado en fracturas inducidas en el laboratorio. En este estudio, la variabilidad interobservador fue baja. En el segundo artículo se estudiaron las propiedades materiales del hueso en pacientes que presentaron fracturas femorales atípicas tras tratamiento prolongado con bisfosfonatos (más de cinco años). Estos pacientes presentaron peores propiedades materiales que los controles a pesar de tener densidad mineral ósea normal o casi normal. Y, además, sus propiedades materiales no fueron diferentes a aquellos pacientes con fracturas femorales típicas. Asimismo, aunque, no encontramos diferencias con otro grupo de pacientes que han estado largo tiempo en tratamiento con bifosfonatos (más de cinco años) los valores de microindentación estaban en otro orden de magnitud sugieriendo peores propiedades materiales del hueso en el grupo de las fracturas femorales atípicas. En conclusión, hemos validado una nueva herramienta de diagnóstico para enfermedades óseas que mide un componente diferente de la calidad del hueso respecto de la densidad mineral ósea. La microindentación permite la medición de las propiedades materiales del hueso in vivo, y representa un progreso importante en la comprensión de enfermedades óseas. Su aplicación no sólo será para el diagnóstico, sino también para la evaluación de las propiedades materiales del hueso en otras condiciones clínicas.

The main objective of this thesis is to study the application of microindentation of the bone by in clinics. Bone mineral density, measured clinically to assess bone quality, is not enough. There are many patients with normal or near normal bone mineral density that have fractures to accurately predict bone’s risk of fracture. It was found to predict 65-70% of fracture risk. This could be explained by the fact that with bone mineral density we are measuring one of the elements of bone strength. Microindentation is a new technique which can measure bone material properties directly in vivo. The indentation technique allows us to determine the hardness of a material. The hardness is the resistance to the penetration of a hard indenter. This test consists of applying a force on the indenter and then measuring the material’s resistance to the surface penetration. With this new technique we are able to measure intrinsic bone material properties in vivo. We have published two main articles validating the techinque. The first of them shows the reliability of the technique and its applicability. In this first paper, we study the bone material properties differences between two groups of women with osteoporotic fractures and without fractures, after adjusting by age we found that patients with osteoporotic fractures had worse material properties measured by microindentation when compared with control patients. And that was independent of bone mineral density. In the paper we also studied what is going on on bone at microscale structure, and we described the existence of cracks induced by microindentation. The interobserver variability was low. In the second article we studied the bone material properties in patients that have atypical femoral fractures after long term bisphosphonates treatment. We reported that those patients had worse material properties than controls, eventhough they had normal or near normal bone mineral density. And their bone material properties were not different to those patients with typical femoral fractures. And, although, we did not find differences with another group of patients that have been long time in bisphosphonate treatment the microindentation values were in a different order of magnitude suggesting a worse material properties in the atypical femoral fractures group. In conclusion we have validated a new diagnostic tool for bone that measures a different side of bone quality than bone mineral density. Microidnetation allows the measurement of bone material properties in vivo, and without harm to patients, and it represents a major progress in understanding bone diseases and could be applied not only for diagnostic but also to the assessment of bone material properties in other clinical conditions.