Bone as such displays an intrinsic regenerative potential following fracture;​ however, this capacity is limited with large bone defects that cannot heal spontaneously. The management of critical-sized bone defects remains a major clinical and socioeconomic need;​ thus, osteoregenerative biomaterials are constantly under development aiming at promoting and enhancing bone healing. Measuring the biomechanical response of regenerated bone at different dimensional scales is crucial in order to assess its mechanical performance and overall structural response, ultimately validating different treatments applied to restore bone within the defect site.

The major aim of this PhD project was to combine high-resolution X-ray micro-computed tomography (microCT) biomechanical imaging and digital volume correlation (DVC) to newly formed bone structures in order to provide a detailed characterisation of bone formation, mechanical competence and deformation mechanisms at tissue level following use of different biomaterials in critical-sized bone defects. A methodological approach was developed to extract full-field deformation of bone at tissue level based on synchrotron radiation (SR)-microCT. This was achieved through an optimisation of image postprocessing and DVC settings that provided reliable displacement and strain measurements at tissue level to investigate the micromechanics of trabecular bone structures and bone-biomaterial systems. In addition, the effect of SR on bone integrity was assessed and experimental protocols were established for a safer and more reliable application of in situ SR-microCT experiments aiming at minimising the irradiation-induced tissue damage.

The defined methods were then used for the investigation of the micromechanics of bone-biomaterial systems and newly formed bone in vivo after the application of osteoconductive and osteoinductive biomaterials. Microdamage initiation and propagation at the bone-biomaterial interface was identified, indicating that the resorption rate and osteoinduction properties of bone grafts may be as beneficial as the original stiffness of the scaffolds for an efficient micromechanics in vivo. Furthermore, the mechanical adaptation of bone structure at an early stage of bone regeneration was demonstrated irrespective of the implanted biomaterial in the bone defect.

In conclusion, the experimental approaches herein presented have shown to be advantageous for investigating the local mechanics of bone tissue during the healing process in relation to the regeneration achieved in vivo for a variety of biomaterials. Moreover, results suggest that enhanced osteoinductive biomaterials offering a controlled release of growth factors could be successfully adopted for the treatment of critical-sized bone defects.

El tejido óseo presenta un gran potencial de regeneración tras su fractura;​ sin embargo, esta capacidad está limitada en defectos óseos de gran tamaño que no pueden regenerarse por sí mismos. El tratamiento de defectos de tamaño crítico continúa siendo un gran problema clínico y socioeconómico, por tanto, biomateriales osteoregenerativos se encuentran constantemente en desarrollo con el objetivo de promover la reparación ósea. La evaluación de la respuesta biomecánica del hueso regenerado en varias escalas dimensionales es decisiva para valorar la competencia mecánica y la respuesta general de la estructura ósea, validando así los tratamientos aplicados para restaurar el hueso en el lugar del defecto.

El principal objetivo de esta tesis es la combinación de microtomografía computarizada (microCT), ensayos biomecánicos y correlación digital de volúmenes (DVC) en estructuras óseas recientemente constituidas para proporcionar una caracterización detallada de la formación ósea, la competencia mecánica y los mecanismos de deformación a nivel tisular tras la aplicación de diferentes biomateriales en defectos óseos de tamaño crítico. Para este propósito se ha desarrollado una metodología para la obtención del campo completo de deformaciones en el tejido óseo basado en microCT mediante radiación sincrotrón (SR). Dicha metodología se ha logrado mediante una optimización del postproceso de imágenes y los parámetros de la DVC, proporcionando medidas fiables de desplazamiento y deformaciones a nivel tisular para la posterior investigación de la micromecánica de estructuras de hueso trabecular y sistemas hueso-biomaterial. Asimismo, se ha evaluado el efecto de la SR en la integridad del tejido óseo, estableciendo protocolos experimentales para una aplicación más segura y responsable de experimentos in situ basados en microCT mediante SR, con el objetivo de reducir el daño inducido en el tejido óseo por irradiación.

Los métodos definidos se han usado en la investigación de la micromecánica de sistemas integrados por hueso y biomateriales, así como estructuras óseas recién formadas in vivo tras la aplicación de biomateriales osteoconductores y osteoinductores. Se ha identificado el inicio y la progresión del daño en la interfase entre hueso y biomaterial, indicando que el grado de resorción y las propiedades osteoinductivas de los injertos óseos pueden ser más favorables que la rigidez inicial del implante para una mecánica eficiente in vivo. Igualmente, se ha demostrado la adaptación mecánica de la estructura ósea en la etapa temprana de regeneración, independiente del biomaterial implantado en el defecto óseo.

Finalmente, se ha mostrado que las estrategias experimentales presentadas son beneficiosas para la investigación de las propiedades mecánicas locales en el tejido óseo durante el proceso de reparación en relación con la regeneración conseguida in vivo por la acción de biomateriales. Los resultados presentados sugieren que los biomateriales osteoinductivos mejorados que promueven una liberación controlada de factores de crecimiento podrían adoptarse en el tratamiento de defectos óseos de tamaño crítico satisfactoriamente.