Takaisin

Luukudoksessa olevien mineraalikiteiden koko vaikuttaa hohkaluun viskoelastisuuteen

Väitös fysiikan alalta
Väittelijä: DI Xiaowei Ojanen
Aika ja paikka: 19.6.2017, 12.00, SN201, Snellmania, Kuopion kampus

Diplomi-insinööri Xiaowei Ojanen tutki väitöskirjassaan hohkaluun kuormitusnopeudesta riippuvaa mekaanista käyttäytymistä eli viskoelastisuutta materiaali- ja rakennetasolla, sekä luun koostumuksen ja rakenteen vaikutusta viskoelastisuuteen. Hohkaluun materiaali- eli kudostason viskoelastisuuden havaittiin riippuvan enemmän kudoksen kuin yksilön iästä. Hohkaluun materiaalitason viskoelastisuus ei myöskään kuvannut tarkasti koko luukappaleen, eli rakennetason viskoelastisuutta. Ymmärrys hohkaluun viskoelastisuuden roolista eri mittaluokissa ja siihen vaikuttavista tekijöistä on oleellista pyrittäessä ymmärtämään liiallisen luun kuormittumiseen liittyviä murtumia.

Luu koostuu pääosin kollageenistä, mineraaleista ja vedestä. Kollageenisäikeet ja niiden väliset sidokset luovat monimutkaisen verkoston, joka antaa luulle muodon ja lisää luun sitkeyttä. Mineraali täyttää kollageenisäikeiden välisen tilan ja määrää luun murtolujuuden. Viskoelastisuus on ominaisuus, joka edesauttaa luuta kestämään iskuja ja rasitusta. Ihmisen ikääntyessä luustossa tapahtuu monia muutoksia kuten luumäärän vähentymistä ja kollageenisidosten lisääntymistä. Nämä muutokset johtavat luun haurastumiseen, joka lisää luun murtuman todennäköisyyttä. Muutokset luun aineenvaihdunnassa (metaboliassa) tapahtuvat sen pinnalla. Hohkaluun pinta-ala on moniverroin suurempi kuin kuoriluun. Tämän takia metabolisten sairauksien kuten osteoporoosin vaikutus havaitaan ensiksi hohkaluussa. Luuston terveyden kannalta on tärkeää todeta sairauksia aiheuttavat muutokset mahdollisimman ajoissa tarpeellisten hoitojen aloittamiseksi.

Ojanen osoitti väitöskirjatyössään, että hohkaluun viskoelastisuus riippuu luukudoksessa olevien mineraalikiteiden koosta. Kiteiden koko kasvaa luukudoksen ikääntyessä. Luukudos kuitenkin uusiutuu aika-ajoin, jolloin luukudoksen ikä ei vastaa henkilön ikää. Kokeellisilla mittauksilla ei voitu osoittaa selvää yhteyttä luun materiaali- ja rakennetason viskoelastisuuden välillä. Kyseistä yhteyttä ei myöskään voitu täysin ennustaa elementtimenetelmään perustuvalla tietokonemallinnuksella.

Viskoelastisuuden lisäksi Ojanen tutki väitöskirjassaan näytteen käsittelyn vaikutusta tuoreen luun kuormitusnopeudesta riippumattomiin, eli elastisiin, ominaisuuksiin. Luun elastista ominaisuutta kuvaavaa akustista impedanssia voidaan tutkia mittaamalla luun pinnasta heijastuvia korkeataajuisia ultraääniaaltoja akustisella mikroskoopilla. Mittaus kuitenkin vaatii luupinnan lähes peilimäistä sileyttä. Tätä varten luunäytteet on perinteisesti kuivattu ja valettu muoviin tasoittamista varten. Väitöskirjatyössä luunäytteen kuivaus ja valaminen nostivat hohkaluun akustista impedanssia 66 prosenttia tuoreeseen luuhun verrattuna. Hohkaluunäytteiden akustisen impedanssin vaihtelu, joka johtuu biologisista muutoksista eikä näytteen käsittelystä, oli kuitenkin sama tuoreessa ja muoviin valetussa luussa.

Väitöskirjatyö on osa laajempaa luun laadun tutkimusta, jossa tutkitaan luun mineraalitiheyden lisäksi kudoksen koostumusta, rakennetta ja mekaanisia ominaisuuksia. Tutkimuksessa pyritään myös kehittämään mittaus- ja kuvantamismenetelmiä luun laadun todentamiseen. Tämä voi merkittävästi parantaa kliinisten tutkimusten luotettavuutta metabolisten sairauksien kuten osteoporoosin havaitsemiseksi. Luusairauksien varhaisempi diagnosointi voi ehkäistä murtumia ja lieventää niiden aiheuttamia epäedullisia sosio-ekonomisia vaikutuksia.

DI Xiaowei Ojasen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Relationships of Microstructure and Composition with Material and Macro Level Viscoelastic Properties of Trabecular Bone (Hohkaluun mikrorakenteen ja koostumuksen yhteys sen viskoelastisuuteen materiaali- ja rakennetasolla) tarkastetaan Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii professori Harrie Weinans, University Medical Center Utrecht, ja kustoksena professori Juha Töyräs, Itä-Suomen yliopisto.

Väittelijän painolaatuinen kuva on osoitteessa https://kuvapankki.uef.fi/A/UEF+kuvahakemisto/11311?encoding=UTF-8