Bone fracture healing in mechanobiological modeling: A review of principles and methods

Abstract

Bone fracture is a very common body injury. The healing process is physiologically complex, involving both biological and mechanical aspects. Following a fracture, cell migration, cell/tissue differentiation, tissue synthesis, and cytokine and growth factor release occur, regulated by the mechanical environment. Over the past decade, bone healing simulation and modeling has been employed to understand its details and mechanisms, to investigate specific clinical questions, and to design healing strategies. The goal of this effort is to review the history and the most recent work in bone healing simulations with an emphasis on both biological and mechanical properties. Therefore, we provide a brief review of the biology of bone fracture repair, followed by an outline of the key growth factors and mechanical factors influencing it. We then compare different methodologies of bone healing simulation, including conceptual modeling (qualitative modeling of bone healing to understand the general mechanisms), biological modeling (considering only the biological factors and processes), and mechanobiological modeling (considering both biological aspects and mechanical environment). Finally we evaluate different components and clinical applications of bone healing simulation such as mechanical stimuli, phases of bone healing, and angiogenesis.

Nano-copper-bearing stainless steel promotes fracture healing by accelerating the callus evolution process

“…1,2 Bone fracture is one of the most common injuries, which is associated with high treatment costs exceeding billions of dollars, societal productivity loss, and individual disability. 3,4 With the development of orthopedic surgical techniques and implant materials, the prognosis of fracture is markedly improved.…”

Kırık iyileşmesi

“…Kırık iyileşmesi ile ilgili pek çok teori ortaya atılmıştır; bunlardan bazıları Şekil 6 a-d'de grafiklerle teorik olarak açıklanmaya çalışılmıştır. [30][31][32][33][34] Perren'in araştırma sonuçları, dinamik deformasyon yokluğunun kallus oluşumunun mekanik indüksiyonunun da eksikliğine yol açtığı, çok küçük oranlarda gerinimin kallus oluşumunu tetiklediği şeklindedir. Perren'in fragmanlar arası gerinim teorisine göre, %2'ye kadar gerinim lamellar kemik tarafından tolere edilirken, gerinim %10'a kadar ise immatür (woven) kemik bunu iyi tolere edebilir, ancak bunun üzerinde (%10-30) ise rezorpsiyon ortaya çı-kacaktır.…”

“…[32] Prendergast ve ark., mekanik uyaranların (esneme ve sıvı/katı akış hızı) etkisini incelemiş; mekanik uyaran en az olduğu durumda kemik oluştuğunu, yüksek esneme ve sıvı/katı akış hızında fibröz dokunun, orta mekanik uyarıda ise kıkırdak dokunun oluştuğunu belirtmişlerdir. [30] Carter ve ark. ise hidrostatik stres ve germe esnemesinin (tensil gerinim) farklı oranlarında, kemik, kartilaj, fibrokartilaj ve fibröz doku vii.…”

“…Şurası açıktır ki; iyileşme kitlesinin farklı parçaları farklı gerinimlere maruz kalmaktadır ve bu oluşturmasını modellemiştir. [30] Claes ve ark., kemik iyileşmesinde mekanik yüklenmeler, hidrostatik basınç ve hücre farklılaşması arasındaki bağlantıyı açık-layan bir hipotezgeliştirmişlerdir: %5'den az gerinim ve 0,15 Mpa'dan az hidrostatik basınçta intramembranöz kemikleşme oluşurken; %15'den az gerinim ve 0,15 Mpa'dan fazla kompresif basınçta enkondral kemikleşme oluştuğunu; daha büyük mekanik stimuluslarla bağ dokusu ve fibröz dokunun ortaya çıktığını öne sürmektedirler. [30] Elliott ve ark.…”

“…[30] Claes ve ark., kemik iyileşmesinde mekanik yüklenmeler, hidrostatik basınç ve hücre farklılaşması arasındaki bağlantıyı açık-layan bir hipotezgeliştirmişlerdir: %5'den az gerinim ve 0,15 Mpa'dan az hidrostatik basınçta intramembranöz kemikleşme oluşurken; %15'den az gerinim ve 0,15 Mpa'dan fazla kompresif basınçta enkondral kemikleşme oluştuğunu; daha büyük mekanik stimuluslarla bağ dokusu ve fibröz dokunun ortaya çıktığını öne sürmektedirler. [30] Elliott ve ark. ise, tüm kırığı, fonksiyonel bir ünite olarak çalışan ve biyolojik ve mekanik stimulusa yanıt veren bir "kemikle iyileşen organ" olarak düşünmek-tedir.…”