Wanneer je voor het eerst een bot breekt, zendt het lichaam een ontstekingsreactie uit en beginnen cellen een hematoom te vormen rond het gewonde gebied. Binnen een week of twee wordt dat bloedstolsel vervangen door een zacht materiaal, callus genaamd, dat een soort brug vormt die de fragmenten bij elkaar houdt. Na maanden verhardt de callus tot bot en is het genezingsproces voltooid.
Maar soms slaagt die brug tussen de botten er niet in om zich te vormen, waardoor er een non-union ontstaat. Bij patiënten met fracturen van lange botten (bijvoorbeeld van het scheenbeen, het kuitbeen of het dijbeen) kunnen niet-genezende gewrichten bijzonder slopend zijn, wat ernstige gevolgen heeft voor hun kwaliteit van leven en hun vermogen om te werken. Voor chirurgen kan non-unions moeilijk te diagnosticeren zijn, omdat ze subjectieve beoordelingen vereisen van röntgenfoto’s die over een periode van zes tot negen maanden zijn genomen. De moeilijkheid is dat het bot heel langzaam kan genezen, in welk geval aanvullende interventie misschien niet nodig is. Maar als het niet geneest, heeft de patiënt maanden van pijn en beperkte activiteit doorstaan, alleen om een extra operatie te ondergaan.
In een perfecte wereld zouden chirurgen een hulpmiddel hebben dat non-unions eerder zou kunnen identificeren.
“Het einddoel is om patiënten tijd, geld en frustratie te besparen”, zegt Brendan Inglis, een afgestudeerde student aan de Lehigh University bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Mechanica. “Omdat als de chirurg bij je terugkomt en zegt dat je een klinisch gediagnosticeerde non-union hebt en je verdere interventies nodig hebt, dat je vermogen om terug te gaan naar je leven verder zal vertragen.”
Inglis is de hoofdauteur van een artikel dat onlangs in Scientific Reports is gepubliceerd en dat laat zien hoe de tweeledige aard van de genezingszone, als zowel zacht als hard materiaal, de mechanische stijfheid van het hele bot bepaalt. Het werk bouwt voort op onderzoek in het laboratorium van Hannah Dailey, een assistent-professor werktuigbouwkunde en mechanica in Lehigh’s P.C. Rossin College of Engineering en Toegepaste Wetenschappen. Eerder heeft het team de levensvatbaarheid aangetoond van het gebruik van een niet-invasieve, op beeldvorming gebaseerde virtuele biomechanische test om de voortgang van de genezing van fracturen te beoordelen. Daarnaast heeft het team een methode voor het toewijzen van materiaaleigenschappen ontwikkeld en gevalideerd voor intacte schapenbotten met behulp van virtuele biomechanische tests.
Het probleem, zegt Inglis, was dat de virtuele tests de mechanische eigenschappen van het bot vroeg in het genezingsproces overschatten, omdat delen van de callus nog te zacht zijn om als bot te worden gemodelleerd.
advertentie
“Toen we dat model toepasten op een gebroken scheenbeen van schapen, in wezen het onderbeen van een schaap, kwamen de mechanische eigenschappen niet overeen”, zegt hij. “Onze hypothese was dat al het zachte weefsel en kraakbeen dat betrokken is bij de genezing van een gebroken ledemaat, te sterk werd voorspeld, wat betekent dat de callus eigenschappen kreeg die te stijf waren.”
Met andere woorden, het vorige model maakte geen nauwkeurig onderscheid tussen bot en callus. Als eelt werd behandeld als stijver dan het in werkelijkheid was, zou dit kunnen betekenen dat het bot verder in het genezingsproces was dan het in werkelijkheid was.
“Eelt is een zeer heterogeen weefsel, wat betekent dat het meer dan één dichtheids- en stijfheidswaarde bevat”, zegt Inglis. “Dus als je een geopereerd ledemaat gaat modelleren, kun je niet alles als dicht bot behandelen. Je moet een manier bedenken om eelt anders te behandelen. Maar de mechanische eigenschappen van eelt zijn nog steeds niet goed begrepen, en er was niets in de literatuur dat de grens aangaf tussen waar je de genezingszone als zacht weefsel begint te behandelen en waar je het als bot gaat behandelen.”
Om die grens te bepalen, werkten Inglis en zijn team samen met medewerkers van de Musculoskeletal Research Unit (MSRU) aan de Universiteit van Zürich. De Zwitserse onderzoekers gebruikten een torsietester om torsiestijfheid te meten in uitgesneden schapentibia, en het Lehigh-team gebruikte de bijbehorende CT-scans en gegevens om die biomechanische tests virtueel te repliceren.
Inglis legt uit dat de helderheid van de pixels in de CT-botscans correleert met de dichtheid. Hoe helderder de pixel, hoe stijver dat botgebied.
advertentie
“Je kunt je voorstellen dat er van een zwarte pixel tot de helderste witte pixel een heel spectrum aan waarden is. Dus in wezen hebben we de grens gevonden waaronder de pixels donkerder worden en als heel zacht moeten worden behandeld. voor deze studie werden die donkere pixels te hoog gekalibreerd en in het model verondersteld te stijf te zijn.”
Gebruikmakend van een stuksgewijs materiaalmodel, optimaliseerden ze een afsnijpunt dat zacht weefsel van bot scheidt.
“Als je die dichtheidsgrens goed hebt, kunnen de virtuele modellen nauwkeurig de stijfheid repliceren die je krijgt van een biomechanische test op een bank van datzelfde bot”, zegt hij. “Als je eenmaal een model hebt dat is gevalideerd voor wat er op een banktest is gedaan, kun je verschillende dingen gaan voorspellen over het gedrag van genezende botten. En hoe meer we begrijpen waarom het genezingsproces mislukt, hoe groter onze kansen op het creëren van een tool die chirurgen ooit zou kunnen informeren. Dus dit model geeft ons een houvast om dit werk op een dag naar de kliniek te vertalen.”
Om hun bevindingen te illustreren, heeft Inglis een app gemaakt waarmee anderen in het veld kunnen communiceren met de gegevens.
“Als onderzoekers lezen we vaak een geweldig artikel en komen we een waarde tegen waar we nieuwsgierig naar zullen zijn, en het citaat verwijst ons gewoon naar een ander artikel, dat je naar een ander artikel verwijst, en zo wordt het dit hele konijnenhol-effect, ” hij zegt. “Deze app is een leuke manier om te visualiseren wat we hebben gedaan en het in je eigen onderzoek in te bouwen. Ik denk dat in een ideale wereld er meer van dit soort informatie zal worden gedeeld, want dat is uiteindelijk het doel van onderzoek doen.”
Dit onderzoek is gedeeltelijk gebaseerd op werk ondersteund door de National Science Foundation (NSF) in het kader van een CAREER Award aan Hannah Dailey (Grant No. CMMI-1943287.)
lees het gehele artikel bij de bron
Samenvatting: Wanneer je voor het eerst een bot breekt, zendt het lichaam een ontstekingsreactie uit, en cellen beginnen een hematoom te vormen rond het geblesseerde gebied. Binnen een week of twee wordt dat bloedstolsel vervangen door een zacht materiaal, callus genaamd, dat een soort brug vormt die de fragmenten bij elkaar houdt. Na maanden verhardt de callus tot bot en is het genezingsproces voltooid. Maar soms slaagt die brug tussen de botten er niet in om zich te vormen, waardoor er een non-union ontstaat.
Datum van publicatie: 3 mei 2022
Bron: Technologie | Top technologienieuws — ScienceDaily