Critical Analysis of the Mechanostat Theory Part I. Reorganization Mechanisms of Skeletal Architecture

Abstract

1ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздравсоцразвития России, директор -д.м.н. профессор Р.М. Тихилов 2 Кафедра сопротивления материалов СПб государственного политехнического университета, заведующий кафедрой -д.т.н. профессор Б.Е. Мельников Санкт-Петербург Проведен критический анализ теории механостата. Показано, что целью постоянного моделирования и остеокластно-остеобластного ремоделирования не является обеспечение необходимого запаса прочности структур скелета и снижение риска перелома. Установлено, что на каждом уровне иерархической организации скелета существуют и другие механизмы его реорганизации. Функционирование этой системы механизмов контролируется остеоцитами и целенаправленно обеспечивает два эффекта: первый -сохранение деформируемости костных структур соответственно требуемой производительности конвекционного механизма перемещения жидкости по лакунарно-канальцевой системе, второй -оптимизация поперечного сечения полостей лакунарно-канальцевой системы, соответственно требуемому уровню ее пропускной способности для потока жидкости. В результате параметры механо-метаболической среды, окружающей остеоциты сохраняются в гомеостатических пределах, что повышает жизнеспособность клеток, а следовательно, костной ткани и скелета в целом. Однако это происходит зачастую за счет снижения прочностных свойств костных структур.Ключевые слова: теория механостата, механизмы реорганизации кости, иерархическая организация скелета.The paper contains a critical analysis of the mechanostat theory. It is shown that for continuous modeling and osteoklasticand-osteoblastic remodeling is not providing the necessary safety margin of skeletal structures and reduce risk of fractures. It is established that at each level of the hierarchical organization of a skeleton there are also other mechanisms of its reorganization.The functioning of this system is controlled by mechanisms of osteocytes and purposefully provides two effects: the firstpreservation of bone structures deformability according to demanded productivity of convective fluid movement mechanism of a lacunary-tubular system, second -the optimization of the cross-section of the cavities of a lacunary-tubular system, respectively, the required level of throughput for the flow of fluid. As a result, the parameters of mechanical-metabolic environment surrounding the osteocytes are stored in the homeostatic limits, which increases cell viability, and hence bone and skeleton as a whole. However, this is often at the expense of the strength properties of bone structures.

Thermal changes in young and mature bone nanostructure probed with Ca 2p excitations

“…Transmission electron microscopy and small angle x-ray scattering on bone makes it evident that intraand inter-fibrilar associations of OH-Ap-nanocrystallites form a series of parallel and spiral wound mineralized plates [5,10,18,37]. These plates are usually described as coplanar assemblies of NOH-Ap submerged into the saturated aqueous solution containing Ca 2+ , Mg 2+ , OH − , [PO 4 ] 3− , [CO 3 ] 2− , and other ions [7,10,18,37].…”

“…Hierarchical structuring provides fascinating mechanical properties and high material functionality of bone tissue [1][2][3][4][5][6][7][8][9]. Studying it one can achieve deeper understanding of the hierarchical and self-assembled materials.…”

“…Regrettably the hierarchy effect on bone tissue in nanoscale remains without sufficient attention. The hard hydroxyapatite (OH-Ap, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) strata in combination with the flexible collagen fibrils make bone more elastic and firm [3][4][5][6] than the initial mineral and the collagen molecule. Water is the third basic component [1,4,6], the role of which in physical, chemical and mechanical properties of bone tissue is not completely understood [1,5,[13][14][15].…”