Osteoporosis is a serious public health issue which is associated with high fracture risk. These fractures usually require fixation with implants. The first stage of a successful long-term fixation is a good bone-implant integration, which greatly depends on the peri-implant bone response to implantation. A critical step in the peri-implant bone response is the bone remodeling process following implant placement which shapes the peri-implant bone architecture and therefore is eventually responsible for the mechanical stability of the bone-implant system. In osteoporosis, however, the low quality of the host bone and the impaired bone remodeling process jeopardize the bone-implant integration and hence the long-term stability of the fracture fixation. In order to develop advanced fracture fixation treatments, it is essential to better understand the influence of osteoporosis on the peri-implant bone response, including time-lapsed changes in bone architecture and in bone remodeling (including both formation and resorption) following implantation. Moreover, bone remodeling is believed to be regulated by local mechanical cues with bone formation occurring more likely at locations of high mechanical strains and bone resorption at regions less strained. The anabolic effect of mechanical stimuli on bone remodeling is also apparent in the presence of the implant. Therefore, controlled external mechanical loading has been suggested as an effective medication-free treatment for promoting peri-implant bone formation and enhancing bone-implant integration. However, the precise role of mechanical loading on peri-implant bone regeneration, especially in osteoporosis, remains to be determined. To explore the aforementioned aspects, this doctoral thesis is divided into the following three aims:​ i) to develop a suitable in vivo monitoring technique for investigating bone response following implantation;​ ii) to assess the effects of osteoporosis on bone structure and remodeling changes after implant insertion;​ iii) to evaluate the role of mechanical loading on peri-implant as well as whole bone behavior in osteoporotic conditions and to assess the specific nature of the mechanical regulation of bone remodeling in the presence of the implant.

In the first step, an in vivo monitoring technique for investigating bone response following implantation in a mouse model was developed:​ an implant made of composite material with low X-ray attenuation but high stiffness was manufactured and coated with a thin titanium layer to enhance biocompatibility;​ an implantation procedure was adapted to directly insert the implant into the mouse caudal vertebra;​ a non-destructive imaging and image processing method was developed to allow time-lapsed measurement on the same animal using in vivo micro-computed tomography (micro-CT). A detailed reproducibility study showed that both bone architecture and bone remodeling assessed by the proposed framework were highly reproducible. By using this framework we were able:​ i) to eliminate the image artifacts which were normally induced by metal implants;​ ii) to monitor the spatiotemporal changes of bone architecture;​ iii) to assess the interplay between bone resorption and bone formation following implantation in both cortical and trabecular bone.

Furthermore, the developed in vivo monitoring technique was applied to assess the bone response following implant placement in both healthy and osteoporotic bone. Ovariectomized (OVX) mice were used as a model for low quality bone associated with osteoporosis, while sham-ovariectomized (SHM) mice were used as control. Following implantation, transient accelerated bone formation was observed in both OVX and SHM animals especially at the endocortical surface, resulting in a rapid increase in the cortical thickness in the peri-implant region. This increase was limited in osteoporotic bone, leading to a reduced bone-implant contact compared to healthy bone. Trabecular bone, however, showed a decrease in the entire area with the reduction in SHM animals being higher than in OVX animals.

The last part of the thesis investigated the effect of mechanical loading on bone response following implantation in osteoporotic bone:​ the load-induced changes in bone architecture and bone remodeling were assessed using the newly developed in vivo monitoring technique;​ the time evolution of the strength of the implanted bone and the mechanical regulation of bone remodeling in the loading scenario were investigated using image-based micro-finite element (micro-FE) analysis. In the presence of the implant, mechanical loading increased bone formation rate and decreased bone resorption rate by modulating the bone surface under formation (mineralizing surface) and resorption (eroded surface) in both trabecular and cortical bone. However, the effect of loading on the remodeling parameters in the peri-implant region was less evident as no statistically significant difference was detected between loaded and control animals. Nevertheless, the strength of the whole implanted bone was enhanced under mechanical loading both by increasing trabecular bone volume and cortical thickness, which suggested a corresponding enhancement in the fixation-strength of the implant.

In conclusion, we have developed a novel in vivo monitoring technique for investigating bone response, including both bone architecture and bone remodeling, following implantation in a mouse model and we have demonstrated its usefulness for investigating the processes in diseased (osteoporosis) and treated (administration of mechanical loading) bone in vivo. The knowledge gained from these findings may improve the current understanding of peri-implant bone regeneration in osteoporosis and facilitate the development of new and adequate loading protocols to enhance peri-implant bone regeneration, especially in an osteoporotic scenario.

Osteoporose ist ein ernstzunehmendes Problem für das Gesundheitswesen, weil sie mit einem hohen Risiko für Knochenbrüche einhergeht. Solche Frakturen verlangen meistens eine Fixierung mittels Implantat. Der erste Schritt zu einer erfolgreicher langfristigen Fixation ist eine gute Integration des Implantats in den Knochen, was hauptsächlich von der Reaktion des das Implantat umgebenden Knochens auf die Implantation abhängt. Eine kritische Phase ist dabei der der Platzierung des Implantats folgende Knochen-Umbauprozess, der die Architektur des Knochens um das Implantat bestimmt und deshalb letztendlich für die mechanische Stabilität des Knochen-Implantat-Systems verantwortlich ist. Bei einer Osteoporose gefährden jedoch die schlechte Qualität des Knochens und der gestörte Umbauprozess die Knochen-Implantat-Integration und somit die Langzeitstabilität der Frakturfixierung. Um fortschrittliche Frakturfixierungsmethoden entwickeln zu können, ist es notwendig, den Einfluss von Osteoporose auf die Reaktion des das Implantat umgebenden Knochens, einschliesslich der zeitlichen Abfolge von Veränderungen der Knochenarchitektur und des Umbauprozesses (inklusive sowohl Knochenbildungs- als auch Resorptionsvorgängen), die auf die Implantation folgen, besser zu verstehen. Ausserdem geht man davon aus, dass der Knochenumbau durch lokale mechanische Signale gesteuert wird, wobei Knochen mit höherer Wahrscheinlichkeit dort neu gebildet wird, wo eine hohe mechanische Beanspruchung vorliegt, und in wenig beanspruchten Regionen resorbiert wird. Der anabole Effekt von mechanischen Reizen auf den Knochenumbau ist auch in Gegenwart eines Implantats offensichtlich. Deshalb wurde kontrollierte, von aussen zugeführte, mechanische Belastung als eine wirksame medikamentenfreie Behandlung vorgeschlagen, um die Knochenbildung um das Implantat zu fördern und die Knochen-Implantat-Integration zu verstärken. Allerdings muss die exakte Rolle der mechanischen Belastung bei der Regeneration des Knochens um das Implantat, insbesondere bei Vorliegen einer Osteoporose, noch ermittelt werden. Um die vorgängig erwähnten Aspekte zu untersuchen, wurde diese Doktorarbeit in drei Ziele aufgeteilt:​ i) eine geeignete in vivo Überwachungsmethode zu entwickeln, um die auf die Implantation folgende Knochenreaktion zu untersuchen, ii) den Effekt einer Osteoporose auf die Veränderungen der Knochenarchitektur und des Umbauprozesses zu den erheben, iii) die Rolle der mechanischen Belastung auf dem Verhalten des Knochens um das Implantat und des ganzen Knochens bei osteoporotischen Bedingungen zu evaluieren und die spezifische Art der mechanischen Regulation der Knochenumbau in Gegenwart des Implantats zu bewerten.

Im ersten Schritt wurde eine in vivo Überwachungstechnik entwickelt, um die Antwort des Knochens auf die Implantation in einem Mausmodell zu untersuchen:​ Ein Implantat wurde aus einem Verbundmaterial mit einer geringen Röntgendichte und hohen Steifigkeit hergestellt und mit einer dünnen Titanschicht überzogen um die Biokompatibilität zu verbessern;​ das Vorgehen bei der Implantation wurde angepasst um das Implantat direkt in den Schwanzwirbel der Maus einsetzen zu können;​ ein zerstörungsfreies Bildgebungs- und verarbeitungsverfahren wurde entwickelt, das wiederholte Messungen des selben Tieres mittels in vivo mikro-Computertomographie (mikro-CT) ermöglicht. Eine ausführliche Reproduzierbarkeitsstudie zeigte, dass die Knochenarchitektur und der Knochenumbau, die mit dem vorgestellten Protokoll bestimmt wurden, hochgradig reproduzierbar waren. Indem wir dieses Protokoll benutzten, konnten wir:​ i) Bild-Artefakte, die normalerweise durch Metallimplantate verursacht werden, eliminieren, ii) räumliche und zeitliche Veränderungen der Knochenarchitektur beobachten, iii) das auf die Implantation folgende Zusammenspiel von Knochenresorption und – neubildung sowohl im kortikalen als auch trabekulären Knochen bewerten.

Weiterhin wurde die entwickelte in vivo Überwachungsmethode angewendet, um die Reaktion des Knochens auf die Implantation sowohl in gesundem als auch in osteoporotischem Knochen zu bestimmen. Ovarektomierte (OVX) Mäuse wurden als Model für die schlechte Knochenqualität, mit der Osteoporose einhergeht, verwendet, Schein-operierte Tiere (SHM) als Kontrolle. Nach der Implantation wurde in OVX und SHM Tieren eine vorübergehende Beschleunigung der Knochenbildung beobachtet, die vor allem an der endokortikalen Oberfläche stattfand und in einer schnellen Zunahme der kortikalen Dicke um das Implantat herum resultierte. Diese Zunahme war im osteoprotischen Knochen eingeschränkt, was zu einem im Vergleich zu gesundem Knochen verringerten KnochenImplantat-Kontakt führte. Im Gegensatz dazu zeigte trabekulärer Knochen im gesamten Gebiet eine Abnahme, die in SHM Tieren stärker als in OVX Tieren war.

Im letzten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss von mechanischer Belastung auf die Reaktion des Knochens auf die Implantation in osteoporotischen Knochen untersucht:​ Mittels der neu entwickelten in vivo Überwachungstechnik wurden durch Belastung verursachte Veränderungen von Knochenarchitektur und -umbau bestimmt;​ die zeitliche Entwicklung von Stärke des Implantattragenden Knochens und die mechanische Regulation des Knochenumbaus im Belastungs-Szenario wurden mittels mikro-Finite-Elemente (mikro-FE) – Analyse untersucht. In Gegenwart des Implantates vergrösserte die mechanische Belastung die Knochenbildungsrate und verringerte die Knochenresorptionrate sowohl im kortikalen als auch trabekulärem Knochen indem die Oberflächen an denen Knochenbildung (mineralisierende Oberfläche) und Resorption (erodierte Oberfläche) stattfanden, moduliert wurden. Jedoch war der Einfluss der Belastung auf die Umbauparameter in der Region um das Implantat weniger offensichtlich, es konnte kein Unterschied zwischen belasteten und Kontrolltieren festgestellt werden. Dessen ungeachtet war die Stärke des ganzen implantattragenden Knochens mit mechanischer Belastung grösser, was sowohl durch eine Vergrösserung des trabekulärem Knochenvolumens als auch der kortikalen Dicke verursacht wurde, was eine damit einhergehende Steigerung der Fixations-Stärke des Implantats nahelegt.

Als Fazit haben wir eine neue in vivo Beobachtungstechnik entwickelt, um die Reaktion des Knochens, inklusive seiner Architektur und Umbauvorgänge, auf Implantation in einem Mausmodell zu untersuchen und konnten ihre Brauchbarkeit bei der Untersuchung der Prozesse im kranken (Osteoporose) und behandelten (Applikation von mechanischer Belastung) lebenden Knochen zeigen. Das daraus gewonnen Wissen könnte das gegenwärtige Verständnis der Knochenregeneration um ein Implantat herum bei Osteoporose verbessern und die Entwicklung neuer und angemessener Belastungsprotokolle um die Knochenregeneration um das Implantat insbesondere in einem Osteoporose-Szenario zu verstärken, ermöglichen.