Seeing is believing. Our understanding of phenomena often involves their direct observation. However, bone architecture is challenging to visualize given its multi-level hierarchical organization. In this thesis, bone and bone interfaces are characterized via multimodal and multiscale platforms, combining different techniques across several length scales. Imaging techniques across the micro-nano continuum are complemented by spectroscopy methods to explore, respectively, the structure and composition of bone and bone interfaces, using both light and electron probes. By applying a characterization methodology more typical of materials science, this thesis aims to unveil structural and compositional abnormalities of bone induced by disease [Papers I-II], and bone response to functionalized biomaterials in compromised conditions [Papers III-IV]. Additionally, it expands three-dimensional (3D) characterization opportunities at the nanoscale in both native and peri-implant bone [Papers V-VI].

This characterization approach uncovered changes in bone quality (structure and/or composition) in the compromised conditions under investigation in this thesis, i.e., leptin receptor (LepR) deficiency and medication-related osteonecrosis of the jaw (MRONJ) [Papers I-II]. In a preclinical model of LepR deficiency for type 2 diabetes/obesity, multimodal characterization of bone at the microscale showed structural abnormalities indicative of delayed skeletal development, despite unaffected bone matrix composition [Paper I]. A combination of multiscale imaging and spectroscopy techniques spanning the micro-to-nanoscale enabled a detailed study of the interface between necrotic bone and bacteria in a case of MRONJ, shedding light on possible mechanisms of bone degradation. When applied to bone-biomaterial interfaces, the application of a multimodal and multiscale characterization workflow informed perspectives on bone response to novel biomaterial solutions aimed to promote osseointegration in osteoporotic conditions via local drug delivery of phytoestrogens [Paper III] or anabolic agents [Paper IV]. This highlighted the importance of studying peri-implant bone at the mesoscale [Paper III] and of confirming biomaterial behaviour in vivo in the presence of surface functionalization [Paper IV]. Lastly, this thesis emphasized the importance of 3D imaging at the nanoscale with electron tomography to resolve bone ultrastructure at biomaterial interfaces [Paper V] and in native conditions [Paper VI]. Specifically, in Paper VI, artifact-free on-axis electron tomography resolved some long-debated aspects regarding the organization of mineralized collagen fibrils, the fundamental building block units of bone.

Så som flera ordspråk säger, ”man tror på det man kan se” och ”en bild säger mer än tusen ord”, är visuella avbildningar av fenomen viktig för vår förståelse och kunskapsutveckling. Med den utgångspunkten så tar denna avhandling ett kliv mot en ökad förståelse och kunskap om den strukturella uppbyggnaden av benvävnad och dess gränssnitt mot biomaterial. Genom en kombination av flera olika avbildnings- och analystekniker, som spänner över flera längdskalor, kan den fascinerande hierarkiska strukturen av benvävnad fastställas på ett bättre sätt, från makro via meso till nanonivå. Ett vanligt ljusoptiskt mikroskop har begränsningar i upplösning vilket kan överkommas genom att istället använda elektroner som källa för avbildning och analys, där nanometerupplösning tillåts. Dessa tekniker är främst utvecklade för materialvetenskap och dess användning för att förstå hur vanliga folksjukdomar som diabetes och benskörhet påverkar vår benvävnad [artikel I och II], samt benförankring av implantat [artikel III och IV] utvärderas i denna avhandling. Dessutom ger dessa tekniker möjligheten till att med bevarad nanometerupplösning skapa 3D avbildning av både benvävnad och dess gränszon mot biomaterial [artikel V och VI].

I artikel I utvärderas en ny preklinisk modell för diabetes typ2/fetma, en folksjukdom som ökar i prevalens, och mer kunskap om dess påverkan på skelettet är viktig. Resultatet visar på strukturella avvikelser som pekar mot en försenad, långsammare utveckling av skelettet trots att den kemiska sammansättningen och mekaniska egenskapen lokalt verkar vara opåverkad. I artikel II studeras benbiopsier uttagna efter osteonekros i käken med en kombination av avbildning och spektroskopitekniker som spänner över mikro-tillnanoskala. Detta möjliggör en detaljerad bild av hur gränssnittet mellan nekrotiskt ben och bakterier ser ut, och belyser möjliga mekanismer för hur benvävnaden bryts ned. I nästföljande artiklar tillämpas denna analysstrategi på gränssnitt mellan ben och biomaterial och ger ett perspektiv på hur benresponsen sker för nya biomateriallösningar som syftar till att främja benförankringen och osseointegrationen i benskört tillstånd via lokal läkemedelsfrigivning. Dessa studier visar vikten av att studera benvävnad även i mesonivå för att bättre förstå benvävnads uppbyggnad under läkning [artikel III], samt hur tillväxtläkemedel hämmar den negativa effekten av benskörhet under läkningsprocessen [artikel IV]. Slutligen visar denna avhandling vikten av tredimensionell avbildning med nanometers upplösning för att förstå ultrastrukturen i benvävnaden som ansluter till ett biomaterial [artikel V], samt vår kunskap om hur benvävnad är uppbyggd på dess minsta nivå [artikel VI]. Specifikt ger analysstrategin i artikel VI med korrelativ strukturell och kemisk analys i 3D, ett tydligt bevis på hur det mineraliserade kollagenet i benvävnad är uppbyggt, något som har varit debatterat genom åren.