Atualmente há um número crescente de idosos necessitando reabilitação com enxerto ósseo, no entanto pouco se sabe sobre o efeito do envelhecimento fisiológico sobre este processo. Este estudo teve como objetivo comparar a regeneração óssea guiada na mandíbula de ratos adultos e velhos. Ratos Wistar machos, com 9 meses (adultos) e 20 meses (velhos) de idade, foram avaliados 0, 7, 28 e 120 dias após a cirurgia. O protocolo cirúrgico incluiu a remoção de osso autógeno da calvária e sua fixação com implante de titânio na mandíbula. A formação óssea foi avaliada através da densidade mineral óssea (DMO), microtomografia computadorizada (?CT), análise histomorfométrica e taxa de aposição mineral. Cento e vinte dias após a cirurgia, os animais velhos apresentaram uma redução da variação da DMO na tíbia quando comparada com adultos (-0,022±0,007 vs. 0,011±0,004 g/cm2, respectivamente, p=0,004) e no fêmur (-0,036±0,01 vs. 0,024±0,007 g/cm2, respectivamente, p=0,000). A análise de ?CT revelou uma redução no percentual de volume ósseo nos ratos velhos quando comparados aos adultos (52,34±1,98 vs. 61,46±2,0 %, respectivamente, p=0,032). A análise histomorfométrica confirmou estes dados, tanto no percentual de área óssea (44,0±1,9 vs. 51,0±1,4 e %, velho vs. adulto, p=0,014) quanto no contacto osso-implante (63,5±3,4 vs. 73,0±1,7%, velho vs. adulto, p=0,028). A taxa de aposição mineral óssea também foi significativamente menor nos ratos velhos em comparação com os adultos, tanto na região da mandíbula (1,23±0,05 vs 2,62±0,33 ?m/dia, respectivamente, p=0,001) quanto na região do implante (0,16±0,03 vs. 1,17±0,06 ?m/dia, respectivamente, p=0,001). Em conclusão, nossos resultados sugerem que o processo de envelhecimento, por si só, afeta a capacidade de regeneração ossea de animais velhos que não são caracterizados como osteoporóticos e sugerem que isso deva ser levado em conta durante o tratamento de pacientes idosos. / Currently there are an increasing number of elderly requiring rehabilitation with bone graft, however little is known about the effect of physiological aging on this process. This study aimed to compare guided bone regeneration in adult and old normal rats. Male Wistar rats with 9 months (adult) and with 20 months (old) were evaluated at 0, 7, 28 and 120 days after surgery. The surgical protocol included the removal of autogenous parietal bone and insertion in the jaw with titanium implant. Bone formation was evaluated through bone mineral density (BMD), X-ray computerized microtomography (3D?CT), histomorphometric analysis and mineralization apposition rate. At baseline, adults and old animals presented similar values of BMD. 120 days after surgery, old animals presented a reduction of tibia BMD when compared with adults (-0.022±0.007 vs. 0.011±0.004 g/cm2, respectively, p=0.004) and of femur (-0.036±0.01 vs. 0.024±0.007 g/cm2, respectively, p=0.000). The 3D?CT analysis revealed a reduction of new-formed bone volume in the old group when compared with adult (52.34±1.98 vs. 61.46±2.0 %, respectively, p=0.032). Histomorphometric analysis corroborates these data, since 120 days after surgery the % of bone area and bone-implant contact were impaired in old rats. Mineralization apposition rate was also impaired in mandible and at implant region of old rat. Together our results suggest that the ageing process per se affect bone regenerative capacity and calls for attention of surgeons to this retard during the treatment of elderly patients.

Orientador: Carlos Manuel Giles Antunez de Mayolo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-28T08:31:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lussani_FernandoCesar1985-_D.pdf: 17433522 bytes, checksum: 73b3d625a81aa4bef21c60e28b981e0e (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O escopo desta tese foi o estudo, implementação, caracterização e aplicação das técnicas de imagens de raios X por contraste de fase e contraste de espalhamento. Este trabalho inicialmente descreve a formação das imagens por contraste de fase pelo método da propagação. Apresenta simulações de primeiros princípios para esta técnica comparando estes com a literatura. Em seguida reporta o desenvolvimento da instrumentação para uma estação experimental de microtomografias de raios X bem como os métodos de processamento de dados para reconstruções tomográficas. Microtomografias com alta resolução foram obtidas e são apresentadas com o intuito de caracterizar a instrumentação e suas aplicações. Essa técnica de instrumentação foi aplicada, em particular, no estudo da histomorfometria óssea em ratos Sprague-Dawley com o objetivo de quantificar os efeitos da dieta alimentar na estrutura óssea trabecular e compacta. Argumenta-se que ocorre uma ligeira tendência a diferenciação nesses tecidos em função da dieta alimentar. Além disso, neste trabalho foi implementado, caracterizado e aplicado a técnica de imagens harmônicas por espalhamento em amostras biológicas, detecção de fraturas e espalhamento anisotrópico. Também são descritos os esforços na melhoria da qualidade sinal-ruído dessa técnica / Abstract: The main scope of this work was the study, implementation, characterization and application of x-ray phase contrast and scattering constrast imaging techniques. First we describe the production of phase constrast images and early attempts to simulate phase contrast phenomena following the known literature. We also report efforts toward development of an experimental x-ray microtomography station as well as imaging processing techniques for tomography reconstruction. We present results on high resolution x-ray microtomography. This technique was applied in the study of Sprague-Dawley bone morphometric properties aiming quantification of high-fat diet effects on compact and trabecular bone structuture. It is argued about a tendency to differentiation on these tissues according to the diet. We also implemented, characterized and applied harmonic scattering imaging in biological samples, fracture detection and anisotropic scattering describing efforts to enhance signal to noise ratio in this technique / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 142800/2010-4 / CNPQ

Ossos trabeculares possuem uma microestrutura porosa e podem ser modelados como um sólido elástico linear, heterogêneo e anisotrópico. A microtomografia tridimensional por raios-x (&#956CT) tem sido mundialmente utilizada para a caracterização de osso trabecular em pesquisas relacionadas à qualidade óssea e a doenças do metabolismo ósseo como a osteoporose. Na literatura existem poucas investigações sobre a influência de diferentes subvolumes amostrais na caracterização de propriedades mecânicas de osso trabecular humano através de &#956CT e ensaio mecânico computacional pelo método de Elementos Finitos. Nesta investigação doze vértebras humanas da região lombar foram utilizadas para a caracterização das propriedades mecânicas do osso trabecular através de &#956CT e modelagem computacional por elementos finitos. Uma amostra cúbica virtual com 18,5 mm de lado foi extraída de cada vértebra e quatro cubos menores centrais foram obtidos a partir dela com reduções de 20%, 40%, 60%, 80% do volume original de cada cubo. A abordagem Direct Mechanics por meio de análise de elementos finitos foi realizada através do Software FAIM (v6.0, Numerics88 Solutions Ltd). Os valores médios nas três direções principais de carregamento para os módulos de Young, Poisson e Torção obtidos foram, respectivamente, E1 = 294 MPa , E2 = 258 MPa , E3 = 153 MPa, G23 = 86 MPa, G31 = 103 MPa, G12 = 100 MPa, v21 = 0,121, v31 = 0,076, v12 = 0,137, v32 = 0,077, v13 = 0,141 e v23 = 0,140. O teste estatístico de Kruskal - Wallis ANOVA fator único foi aplicado com os procedimentos de comparação aos pares (teste de Tukey) mostrou que E1 &#8800 E3, E2 &#8800 E3 e E1 = E2. Isso indica que há a tendência para duas direções diferentes de carregamento mecânico nas amostras de osso trabecular das vértebras humanas analisadas, caracterizando uma simetria transversalmente isotrópica. Entretanto, os autovalores da matriz M (tensor anisotropia) expressaram uma tendência da microestrutura trabecular das vértebras humanas para a simetria ortotrópica, mostrando que a análise do fabric não classifica adequadamente a simetria da estrutura. A avaliação dos parâmetros microestruturais mostrou a tendência de um aumento do grau de conectividade das trabéculas a medida que ocorre uma redução dos subvolumes analisados (100% para 20% ou em milímetros de 18,5 para 3,7) acompanhado de um acréscimo dos valores da fração de volume ósseo. Esta tendência reforça a ideia de analisar-se as possíveis variações dos parâmetros morfométricos e mecânicos em domínios específicos. Em outras palavras, uma avaliação local com a escolha de volumes menores dos parâmetros microestruturais fração de volume, conectividade, espessura trabecular, separação trabecular, número trabecular e parâmetros mecânicos (Módulos de Young, Poisson e Torção) podem melhorar o prognóstico da resistência óssea, a qual prediz o risco de fratura de estruturas de osso esponjoso com precisão. Quando as propriedades mecânicas estão associadas com informações microestruturais por &#956CT são gerados mais parâmetros para se avaliar a qualidade óssea no diagnóstico de doenças do metabolismo ósseo. Portanto, a microtomografia de raios-X e análise de elementos finitos oferecem uma técnica não-invasiva com grande potencial para a avaliação da qualidade óssea. / Trabecular bone structures have a porous microstructure and can be modeled as linear elastic solid with a heterogeneous and anisotropic structure. The X-ray microtomography (&#956CT) has been used worldwide for the characterization of trabecular bone and its relationship with bone quality in metabolism diseases such as osteoporosis. In the literature there are few investigations regarding the influence of trabecular samples subvolumes in the assessment of microstructure and mechanical properties using &#956CT and finite element analysis. In this investigation twelve human vertebraes were used for the characterization of mechanical properties of trabecular bone using CT and computational modeling by finite elements. A cube sample with 18.5 mm sides was computationally extracted from each vertebrae and four smaller central cubes were obtained from it, with a 20%, 40%, 60%, 80% reduction from the original volume. The Direct Mechanics approach by finite element analysis was performed through the FAIM Software (v6.0, Numerics88 Solutions Ltd.). The mean values on three main directions of loading for Youngs Modulus, Poissons Modulus and Shears Modulus, were: E1 = 294 MPa , E2 = 258 MPa , E3 = 153 MPa G23 = 86 MPa, G31 = 103 MPa e G12 = 100 MPa, v21 = 0,121, v31 = 0,076, v12 = 0,137, v32 = 0,077, v13 = 0,141 e v23 = 0,140. The Kruskal-Wallis One Way Analysis of Variance on Ranks was applied with pairwise multiple comparison procedures (Tukey Test) showing that E1 &#8800 E3, E2 &#8800 E3 e E1 = E2. This indicates that there are two different main directions of loading on the trabecular bone samples of human vertebrae which is related to a transversely isotropic symmetry. However the eigenvalues of the matrix M (tensor anisotropy) expressed a tendency to orthotropic symmetry of the trabecular microstructure of human vertebrae, showing that the fabric assumption does not adequately classify the symmetry of the structure. The assessment of microstructural properties showed a tendency to increase the connectivity of the trabeculae with the reduction of the analyzed subvolumes (100% to 20% or 18.5 mm to 3.7 mm) as well as an increase of the bone volume fraction values. Those results highlight the idea that mechanical properties are better described in local regions. In other words, a local assessment of the microstructure parameters volume fraction, connectivity, trabecular thickness, trabecular separation, trabecular number and mechanical parameters (Youngs Modulus, Poissons Modulus and Shears Modulus) can improve the prediction of bone strength, which predicts the risk of cancellous bone fracture accurately. When the mechanical properties are associated with microstructural information more bone quality parameters are generated for the diagnosis of bone metabolism diseases and they can predict the fracture risk of cancellous bone structures with higher accuracy. Therefore, the X-ray microtomography and finite element analysis offer a non-invasive technique with great potential for the assessment of bone quality.