Das Ziel dieser Studie war die Evaluierung zweier radiologischer Methoden zur Belastbarkeitsvorhersage des Regenerates bei einem Verfahren zur Kallusdistration. Im Rahmen einer tierexperimentellen Großtierstudie (Tiermodell Yucatan-Schweine) wurden die DLR und die DFR als Röntgenverfahren zur Dokumentation des zeitlichen Verlaufs der Regeneratkonsolidierung verwendet. Nach Tötung der Tiere erfolgte der Vergleich zwischen den radiologischen Daten und den biomechanisch gemessenen Werten der untersuchten Tibiae (Festigkeit, Steifigkeit). Das Knochengewicht wurde mittels einer Eichkurve in Aluminiumäquivalent EAT umgerechnet. Anhand der EAT-Werte der einzelnen Versuchstage konnte ein Zuwachs an Knochenfestigkeit festgestellt werden. Die Festigkeit des Knochenregenerates wurde nach der Tötung der Tiere biomechanisch bestimmt und daraufhin mit den EAT-Werten des letzten Versuchtages korreliert. Die digitalisierte Filmradiographie zeigte eine Korrelation des EAT-Wertes am letzten Versuchstag mit der torsionalen Steifigkeitsmessung von r=0,71 und mit dem maximalen Drehmoment von r=0,69. Die DLR konnte demgegenüber eine Korrelation des EAT-Wertes der Distraktionszone mit der torsionalen Steifigkeit von r=0,89 ebenso wie mit dem maximalen Drehmoment von r=0,8 nachweisen. Demzufolge ist eine zuverlässige Verlaufsbeurteilung des Knochenregenerates mit der hier eingeführten Dichtemessung möglich. Beide Verfahren sind geeignet, quantitative Aussagen über die Belastbarkeit des Kallusgewebes bei der Distraktionsosteogenese im Tiermodell zu machen. Die Meßungenauigkeit der Methode war vernachlässigbar, die Meßergebnisse waren unabhängig vom Untersucher. Trotz der hohen Genauigkeit dieser Methode im Tiermodell kann noch keine Aussage über die Anwendung der Verfahrens beim Menschen gemacht werden. Daher werden weitere Studien notwendig sein, um hierüber Klarheit zu schaffen. / The aim of the study was an evaluation of two radiologic methods to predict the strength of bone regeneration in distraction osteogenesis. In this animal study the digitized radiography and the digital luminescence radiography were used for the documentation of bone regeneration. After the death of the animals a comparision between radiologic data and biomechanical data of the tibia was performed. The bone mass was determined by a calibration curve in equivalent aluminium thickness (EAT). On the basis of the EAT data of each examination day an increase of the bone strength could be determined. The bone strength was assessed after the sacrification by biomechanical testing and correlated with the radiologic data of the last examination day. The digitized radiography showed a correlation with the torsional stiffness of r=0,71 and with the maximal torsional moment of r=0,69. The digital luminescence radiography showed a correlation with the torsional stiffness of r=0,89 and with the maximal torsional moment of r=0,8. Therefore a reliable bone mass measurement is available by this method. Both radiographic procedures are suitable to predict the strength of bone regeneration in distraction osteogenesis in this experimental animal study. The inaccuracy of the method was negligible and independent to the investigator. But for all that high accuracy of the method a statement concerning the applicability of this method in humans in not possible. Therefore further investigation are neccessary.

Schlüsselfaktoren der bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften von Knochen sind seine komplexe hierarchische Struktur und chemische Zusammensetzung. Ziel dieser Dissertation war die simultane Untersuchung von Materialkomposition und 3D Struktur in Relation zu lokalen elastischen Eigenschaften von Knochengewebe unter Verwendung von neuen hochauflösenden experimentellen Konzepten. Im ersten Teil wurde polarisierte Raman Spektroskopie (PRS) eingesetzt um gesunden humanen kortikalen Knochen zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass sich PRS eignet, um sowohl die chemische Zusammensetzung als auch die 3D Organisation der Kollagenfasern in einer Messung aufzuklären. Dominante Faserorientierungen ganzer Gewebedomänen konnten identifiziert und mit der Koexistenz zweier Faserorganisationsmuster verknüpft werden. Durch Kombination derPRS Experimente mit ko-lokalisierten Synchrotron-Phasenkontrast-Nano-Tomografie- undUltraschallmikroskopie-Messungen wurde eine komplementäre Untersuchung von Faserarchitektur, chemischer Komposition und elastischen Eigenschaften einzelner Knochenlamellen ermöglicht. Die multimodale Analyse ergab, dass die charakteristischen lamellären Ondulationen der Elastizität in erster Linie durch sich lokal ändernde Faserorientierungen bedingt werden und nicht durch Variationen der Materialzusammensetzung, Abweichungen der Mineralkristallpartikeleigenschaften oder durch Fluktuationen der Massendichte. Im letzten Teil wurde mittels akustischer Mikroskopie der Einfluss der Mutation des Neurofibromin 1 Genes auf die pathologische Entwicklung von mechanischen Knocheneigenschaften untersucht. Anhand zweier Knockout-Mausmodelle wurde festgestellt, dass nur eine Mutation in frühen mesenchymalen Vorläuferzellen die Steifigkeit der langen Röhrenknochen signifikant beeinträchtigt. Perspektivisch eignet sich der vorgestellte multimodale Ansatz für nicht-destruktive Charakterisierung eines breiten Spektrums biologischer und synthetischer Faserverbundwerkstoffe. / Key factors determining the remarkable mechanical performance of bone are its material composition and complex hierarchically structure. The aim of this thesis was the concurrent investigation of the chemical composition and 3D structure of bone tissue in relation to the local elastic properties by introducing novel high resolution experimental approaches. In the first part, polarized Raman spectroscopy (PRS) was applied to analyze healthy human cortical bone. In particular, it was demonstrated that PRS can be employed to simultaneously investigate the chemical composition and the 3D organization of collagen fibrils in a single experiment. Predominant fibril orientations in entire tissue domains were identified and linked to the coexistence of two fibril organization patterns. To further extend the analysis, PRS experiments were combined with synchrotron X-ray phase contrast nano tomography and scanning acoustic microscopy measurements in a site-matched study design. This multimodal approach enabled complementary imaging of the fibrillar architecture, tissue composition and resulting elastic properties of single bone lamellae. In line with earlier studies, crosscorrelation analysis strongly suggested that the characteristic elastic undulations of bone lamellae are the result of the twisting fibrillar orientation, rather than compositional variations, modulations of the mineral particle maturity, or mass density fluctuations. Finally, acoustic microscopy was applied to analyze the impact of the neurofibromin 1 gene mutation on the pathologic development of the mechanical properties of bone. Analysis of two knock-out mouse models revealed that only Nf1 ablation in early mesenchymal progenitor cells significantly impairs the elastic stiffness of long bones. In future studies, the presented multimodal methodology can be translated for non-destructive and high resolution characterization of a broad range of biological and synthetic fiber composite materials.