Form and function are intimately related in bones constituting the appendicular skeleton. The effect of mechanical loading on bone architecture as well as the interdependence of bone form and mechanical loading conditions are usually subsumed under Wolffs Law. Given the importance of skeletal function in supporting the musculoskeletal system, protecting the inner organs and maintaining metabolic homeostasis, a plethora of research has been devoted to explaining the observational phenomena characterized by this law. Although a number of researchers have developed theories implicating some manifestation of mechanical forces such as stress, strain and strain energy density for functional adaptation, the mechanisms underlying dynamic bone growth and repair in response to mechanical and metabolic stimuli have been established only in part and crucial aspects remain unresolved.

In interstitial spaces of soft tissues and organs, molecular diffusion is considered to be the major contributing mechanism for transport of various physiological fluids and solutes. In compact bone, however, we hypothesize that distances between capillaries and bone cells are in part too long and available channels are too narrow to allow for sufficient diffusion within time periods required for healthy metabolism. The impermeability of bone is intrinsic to its load-bearing function. It is this function which provides an alternate mechanism for molecular transport in bone, i.e. load-induced fluid flow. Physiological loading of the poroelastic, fluid filled tissue of compact bone is postulated to cause microdeformations of the fluid spaces, creating pressure gradients, which in turn cause fluid displacements to occur. These deformation-induced fluid displacements may allow for convective transport phenomena which enhance molecular transport from the blood supply to the outermost osteocytes within a given osteon, thus helping to ensure metabolic function.

In addition to the possible role load-induced fluid flow plays in enhancing molecular transport within bone, it has been put forth that load-induced flow contributes to the regulation of functional adaptation processes by transmitting shear stresses directly at the cellular level, and/or by causing electromechanical streaming potentials to occur, which in turn may alter osteocyte membrane permeability or trigger voltagesensitive ion channels. Although indirect proof for load-induced fluid flow can be found in the literature pertaining to streaming potentials, we know of no experimental studies in which fluid flow per se has been studied in bone tissue subjected to controlled mechanical loads.

In order to explore fluid transport processes within compact bone tissue, we developed theoretical and experimental methods to assess deformation-induced displacements within the transport system of compact bone. These methods were implemented in order to approach the problem from five distinct vantage points, each of which is presented in a chapter of this thesis. First, a finite element (i.e. FE) model was developed to predict the relative contribution of convective and diffusive transport mechanisms for the maintenance of local equilibria within the lacunocanalicular system, the osteon as a whole and a composite system comprising many osteons. Based on this model, a new theory of bone remodelling based on convective and diffusive transport processes is proposed. Secondly, an ex vivo perfusion model of the sheep forelimb was developed in order to measure load-induced fluid displacements within perfused bone tissue. Using this model, it could be shown that load-induced fluid flow represents a powerful mechanism to enhance molecular transport within the lacunocanalicular system of compact bone tissue. Thirdly, an in vitro model based on small cylindrical specimens excised from the metacarpus was developed to study deformation-induced displacements within bone tissue, irrespective of blood flow or perfusion. Based on preliminary studies with this model, it could be shown that the promotion of molecular transport by mechanical loading induced fluid flow is dependent on cycle number and loading rate. Fourthly, to visualize transport pathways for molecular tracers of different molecular weights, an in vivo diffusion study was conducted, the results of which showed that diffusive transport alone is not efficient for the transport of larger molecules such as proteins from the blood supply to the osteocytes. Given the physiological role of proteins as carriers for small molecules and ions, the necessity for another mechanism such as convective transport via load-induced fluid flow for maintenance of metabolic and adaptive remodelling activity was underscored. Finally, we implemented our tracer techniques with an in vivo model of the rat tibia in order to begin to elucidate the relationship between load-induced fluid flow phenomena and cellular processes involved in adaptive bone remodelling.

Der Knochen passt sich seiner biologischen und mechanischen Umgebung an, um eine moglichst optimale Form und Struktur fur physiologische Belastungen zu erhalten. Trotz aller Forschung ist der genaue Mechanismus dieser Anpassung allerdings noch nicht eindeutig erklart worden. Die meisten Theorien postulieren einen direkten mechanischen Einfluss auf den Knochenumbau. Eine Voraussetzung dafiir ware, dass jede Zelle des Knochens iiber eine Art Sensorik verfugen miisste, um Abweichungen vom gewohnten Belastungsmuster zu spiiren und sich dementsprechend anpassen zu konnen;​ da verschiedene Zellen auch verschieden belastet werden, miisste sogar jede Zelle individuell einprogrammiert sein. Eine andere, eventuell zusatzliche Erklarungsmoglichkeit ware, die funktionelle Anpassung der Knochenstruktur als Transportproblem zu betrachten. Hierbei miisste der Knochen über keine speziellen Fahigkeiten verfugen, um zu erkennen, ob das normale Spannungsniveau über- oder unterschritten wird, denn die Steuerung des Knochenumbaus ware nur eine Frage von Angebot und Nachfrage von z.B. Metaboliten, Mineralstoffen und/oder osteotropischen Stoffen.

Obwohl Diffusion ein wichtiger Prozess beim Transport und Austausch von Molekulen im Organismus ist, haben verschiedene Untersuchungen gezeigt, dass in der Knochenmatrix, wo 85% des Volumes aus lasttragendem Material (Mineral und Collagen) besteht, Diffusion allein fur den molekularen Transport nicht genugen kann, um die Versorgung der Knochenzellen (d.h. Osteozyten) sicherzustellen. Ein weiterer moglicher Mechanismus fur den molekularen Transport in der Knochenmatrix ergibt sich aus der Funktion des Knochens im Rahmen des Bewegungsapparates. Wie von Piekarski und Munro 1977 erstmals postuliert, fuhren die aufgrund der zyklischen Belastung des Knochens entstehenden Deformationen hypothetischerweise zu Stromungen der interstitiellen Flüssigkeit im Knochen. Aufgrund dieser belastungsinduzierten Stromungen entstehen konvektive Vorgange, welche den Transport uber grossere Distanzen bewirken können.

In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Diffusions- und Konvektionsvorgangen als Teilaspekt der funktionellen Anpassung der Knochenstruktur sowie der metabolischen Anforderungen des Knochens untersucht. Das Problem wurde von fiinf verschiedenen Gesichtspunkten angegangen. Erstens wurde mittels theoretischer Finite Elemente Modellierung das Verhaltnis zwischen konvektivem und diffusivem Transport in einem idealisierten Osteon Modell erfasst und mit experimentellen Daten von "daily strain histories" (nach Rubin und Lanyon 1984) verglichen. Zweitens wurde ein ex vivo Perfusionsmodell vom Schafsvorderbein entwickelt, um Fliissigkeitsverschiebungen in einem zyklisch belastenen Metacarpus in situ zu messen. Diese Experimente zeigten, dass der Transport von Markiermittel in der Kortikalis des belasteten Knochens entschieden grosser ist als in derjenigen des unbelasteten. Drittens wurden in vitro Untersuchungen der Volumenverschiebungen in Mikroproben des Metacarpus (vom Schaf) durchgefiihrt, wobei bewiesen werden konnte, dass der unter Belastung verbesserte Transport in Mikroproben, im Vergleich zu demjenigem von unbelasteten, von der Anzahl Zyklen sowie der Belastungsrate abhangt. Viertens wurde eine in vivo Diffusionsstudie gemacht, um die Perfusionswege fur Molekule unterschiedlicher Grossen im Kortikalis und Spongiosa der Rattentibia und -metacarpus zu visualisieren. Diese Studie zeigte, dass Diffusion allein fur den molekularen Transport von grosseren Molekulen (z.B. Eiweissen) nicht geniigt, um die Versorgung der Osteozyten sicherzustellen. Schliesslich haben wir diese Tracer Methoden in einem in vivo Modell angewandt, um den Zusammenhang zwischen den belastungsinduzierten Fliissigkeitsstromungen und den mit der Steuerung des Knochenumbaus verbundenen zellularen Vorgangen zu verdeutlichen.