Collagen Fiber Organization in Human Cortical Bone and Its Functional Relationship with Matrix Composition and Biomechanical Competence

Abstract

Bone derives its mechanical competence from its hierarchical structure which is established during skeletal growth and maintained by remodeling processes throughout life. In this process, the micro- and nanostructure of the bone matrix is extensively altered and adapted to new mechanical demands. However, a higher fracture incidence is not only observed in aging and disease but also in children and adolescents. While the main drivers of fracture resistance are established in mature bone, it remains unclear how bone quality is altered during longitudinal bone growth. In healthy adults, the presence of secondary osteons and interstitial bone highlights an extensive remodeling history. When viewed under polarized light, osteons can appear dark or bright based on their preferential collagen fiber orientation (longitudinal and transverse, respectively). As the adaptability of bone is reflected in its micro- and nanostructural arrangement, the formation of dark and bright osteons points at a tissue heterogeneity that is advantageous for its mechanical strength. In the context of this thesis, the organization and orientation of collagen fibers was investigated in mid-diaphyseal human femoral bone and related to important compositional and mechanical properties of bone quality. Specifically, bone was obtained from fetal to 14-years old cases and a 44-year-old individual, and comprehensively assessed to scrutinize the structure-composition relationship in cortical bone.

A distinct coupling of preferential collagen fiber orientation and mineralization patterns was verified. In particular, the fetal/infantile cases are characterized by a disorganized woven bone matrix in which collagen fibers are preferentially transversely aligned. With ongoing age and near the time of walking, woven bone is replaced by highly organized lamellar bone and the collagen orientation is shifted towards more longitudinally aligned fibers. Compositionally, a higher bone mineral density is quantified in the 2‐ to 14‐years old cases that is also more homogeneously distributed. The structural and compositional disparities result in significant differences in mechanical competence where the older cases demonstrate both higher stiffness and strength emphasizing the inferior bone quality of the fetal/infantile skeleton. Fundamental structural and compositional discrepancies are also quantified in dark and bright osteons. Longitudinally fibered dark osteons are characterized by a higher mineral content and a higher ratio of inorganic to organic matrix components that lead to higher stiffness. In contrast, bright osteons display a lamellar architecture with changing collagen fiber orientation between neighboring lamellae, contain relatively more collagen, are more ductile and provide better energy dissipation capabilities.

Taken together, both during skeletal growth and in healthy mature bone, the preferential collagen fiber orientation is associated with specific mineralization profiles that, in conjunction, guide the mechanical properties. The presented findings underline that the bone matrix is sensitive to structural and compositional adaptions at the nanoscale and provide new insight into how nanoscale tissue properties can influence fracture mechanisms at larger length scales.

Knochen erlangt seine mechanische Belastbarkeit durch seinen hierarchischen Aufbau, der sich während des skelettalen Wachstums entwickelt und durch kontinuierliche Knochenumbauprozesse erhalten wird. In Zuge dessen wird die Matrix sowohl mikro- als auch nanostrukturell angepasst, um neuen mechanischen Anforderungen besser entgegenwirken zu können. Dennoch ist ein erhöhtes Frakturrisiko nicht nur im Alter und bei Knochenkrankheiten dokumentiert, sondern auch bei Kindern und Jugendlichen. Während die zugrunde liegenden Mechanismen der Frakturresistenz in vollentwickeltem Knochen weitestgehend erforscht sind, ist unklar, wie sich die Knochenmaterialqualität während des skelettalen Wachstums verändert. In gesunden Erwachsenen unterstreichen sekundäre Osteone und Schaltlamellen umfassende stattgefundene Knochenumbauprozesse. Polarisationsoptisch betrachtet können Osteone sowohl dunkel als auch hell erscheinen: in Abhängigkeit der vorrangigen Kollagenfaserorientierung (longitudinal oder transversal). Die Existenz dunkler und heller Osteone weist auf eine Heterogenität der Matrix hin, die die Belastbarkeit optimiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Organisation und Orientierung der Kollagenfasern in der humanen femoralen Knochenmatrix untersucht und in Zusammenhang mit weiteren kompositionellen und mechanischen Parametern gestellt. Hierbei wurden Proben von fetalen bis 14 Jahre alten Fällen sowie eines 44-Jahre alten Individuums untersucht.

Es konnte ein klarer Zusammenhang zwischen der Kollagenfaserorientierung und spezifischen Mineralisationsmustern aufgezeigt werden. Im fetalen/infantilen Alter besteht die Knochenmatrix aus Geflechtknochen, in dem die Kollagenfasern primär transversal orientiert sind. Mit fortschreitendem Alter und Beginn des freien Gehens wird der Geflechtknochen durch organisierten Lamellenknochen ersetzt, und die Kollagenfasern sind vorrangig longitudinal orientiert. Der strukturelle Umbau wird von kompositionellen Änderungen begleitet. Hier weisen die 2 bis 14 Jahre alten Fälle eine erhöhte und homogenere Mineralisierung auf, die mehr Steifigkeit verleiht. Strukturelle und kompositionelle Unterschiede konnten ebenfalls zwischen hellen und dunklen Osteonen nachgewiesen werden. Dunkle Osteone mit longitudinalem Kollagen sind höher mineralisiert und haben ein höheres Verhältnis von anorganischen zu organischen Matrixbestandteilen, was zu erhöhter Steifigkeit führt. Im Gegensatz dazu sind helle Osteone lamellar aufgebaut, wobei sich die Kollagenfaserorientierung zwischen benachbarten Lamellen verändert. Sie enthalten einen höheren Anteil an Kollagen und können durch ihre größere Duktilität mehr Energy ableiten.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Kollagenfaserorientierung im humanen Knochen mit bestimmten Mineralisationsmustern gekoppelt ist, die die mechanische Kompetenz maßgeblich beeinflussen. Die beiden Studien unterstreichen die Fähigkeit der Knochenmatrix sich sowohl strukturell als auch kompositionell gegenüber mechanischen Belastungen anzupassen und offenbaren wie das Frakturverhalten durch Anpassungen auf der Nanoebene beeinflusst werden kann.