THE ADAPTATION OF MORPHOLOGY TO FUNCTION IN
LONG BONES
Md. Yusuf Haroon
THIS THESIS HAS BEEN SUBMITTED IN FULFILMENT OF THE
REQUIREMENT FOR THE DEGREE OF
DOCTOR OF PHILOSOPHY
IN THE FACULTY OF SCIENCE AT THE UNIVERSITY OF LONDON
SEPTEMBER 1996
DEPARTMENT OF ANATOMY AND DEVELOPMENTAL BIOLOGY
UNIVERSITY COLLEGE LONDON
ProQuest Number: 10105734
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INFO RM A TIO N TO ALL U SER S
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uest.
ProQuest 10105734
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ABSTRACT
T h i s t h e s i s d e a l s w i t h t h e s t r u c t u r e o f e q u i n e lim b b o n e s . The
i n i t i a l s t u d y d e t e r m i n e d t h e r e l a t i v e p r o p o r t i o n o f f i e l d s o f vie w
o c c u p i e d by more l o n g i t u d i n a l and more o b l i q u e c o l l a g e n i n t h e c o r t e x
o f t h e r a d i u s a n d h a s a t t e m p t e d t o r e l a t e t h i s i n f o r m a t i o n t o
o s t e o n a l t y p e and t y p e o f l o a d i n g . T h e r e i s a h i g h e r , more o b l i q u e
f r a c t i o n i n t h e c o m p re s s io n c o r t e x w hich i s a s s o c i a t e d w i t h a h i g h e r
r e m o d e l l i n g a c t i v i t y . The a c t u a l o r i e n t a t i o n p a t t e r n o f t h e c o l l a g e n
f i b r e s i n t h e d a r k and t h e b r i g h t l a m e l l a e i n s e c o n d a r y o s t e o n s i n
t h e p l a n e o f s e c t i o n i n p o l a r i s e d l i g h t i s d e t e r m i n e d .
D i s t a l c o n d y l a r f r a c t u r e s o f t h e t h i r d m e t a c a r p a l b o n es can be
s u b s t a n t i a l l y e x p l a i n e d by u n d e r l y i n g s t r u c t u r a l f e a t u r e s o f t h e
m i n e r a l i z e d c a r t i l a g e and bo n e. T h ere i s a marked p r e f e r e n c e t o t h e
o r i e n t a t i o n o f t h e s t r u c t u r e o f t h e m i n e r a l i z e d c a r t i l a g e a n d i t
t e n d s t o c l e a v e i n t h e s a g g i t a l p l a n e . T h e r e a r e p r o f o u n d
d i f f e r e n c e s w i t h age and b e tw e e n i n d i v i d u a l s i n t h e d e n s i t y o f t h e
s u b c h o n d r a l b o n e . P r o x i m a l t o t h i s , t h e m ain t r a b e c u l a e a r e p l a t e s
r u n n i n g i n t h e d o r s o - p a l m a r d i r e c t i o n w i t h s m a l l s t r u t s r u n n i n g i n
t h e m e d i o - l a t e r a l d i r e c t i o n j o i n i n g them t o g e t h e r . T h i s s t r u c t u r e
l e a d s t o a te n d e n c y f o r a f r a c t u r e t o p r o p a g a t e b etw een t h e s a g g i t a l
p l a t e s . I n t h e s k e l e t a l t i s s u e s , f r a c t u r e s s t a r t e i t h e r i n t h e
a n i s o t r o p i c t r a b e c u l a r b o n e , a t t h e o s s e o - c h o n d r a l j u n c t i o n , o r a t
t h e t i d e - m a r k i n t h e c a l c i f i e d c a r t i l a g e a t t h e d e e p s u r f a c e o f t h e
a r t i c u l a r c a r t i l a g e . T hey may t h e r e f o r e s p r e a d i n o n e o r i n two
d i r e c t i o n s . W h e r e v e r t h e c r a c k i n i t i a t e d , i t w o u l d p r o p a g a t e
c a t a s t r o p h i c a l l y when i t r e a c h e d t h e zone o f p a r a l l e l p l a t e s t r u c t u r e
o f t h e c a n c e l l o u s bone.
The s t r u c t u r e o f t h e t r a b e c u l a r bone g i v e s maximum s t r e n g t h and
p r o t e c t i o n i n t h e s a g g i t a l p l a n e i n w h ic h t h e bone r o t a t e s , b u t i t
w i l l y i e l d s l i g h t l y i n t h e t r a n s v e r s e p l a n e and t h i s may h a v e a
b e n e f i c i a l e n e r g y a b s o r b i n g r o l e . T h e d i s a d v a n t a g e o f t h i s
s t r u c t u r a l o r g a n i s a t i o n i s t h a t i t o f f e r s m i n i m a l r e s i s t a n c e t o
f r a c t u r e s i n t h e s a g g i t a l p l a n e .
F u r t h e r t o t h i s , an a n i s o t r o p i c a r c h i t e c t u r e i n t h e a r t i c u l a r
c a r t i l a g e o f t h e e q u i n e M c III i s d e s c r i b e d and a s s o c i a t e d w i t h t h e
ACKNOWLEDGEMENTS
I e x p r e s s my d e e p g r a t i t u d e s t o my s u p e r v i s o r P r o f e s s o r A la n
Boyde w h o s e s u p e r v i s i o n , s u p p o r t an d g u i d a n c e b r o u g h t t h i s t h e s i s
i n t o a r e a l i t y . I f e e l f o r t u n a t e t o h a v e t h e c h a n c e o f d o i n g
r e s e a r c h w i t h h im . I am a l s o v e r y g r a t e f u l t o P r o f e s s o r S h e i l a J
J o n e s who h a s b e e n a c o n t i n u o u s e n c o u r a g e m e n t t o me t h r o u g h o u t t h e
w h o le p e r i o d , a n d t o D r. C h r i s t o p h e r M R i g g s w h o s e w o rk g a v e me
p r i m a r y i n s p i r a t i o n . The e x c e l l e n t r e v ie w i n h i s PhD t h e s i s p r o v i d e d
me w i t h a good f o u n d a t i o n , and he p r o v i d e d me w i t h i m p o r t a n t i n i t i a l
i n f o r m a t i o n . I h a v e v e r y o f t e n h a d t h e c h a n c e o f s h a r i n g t h e
k n o w le d g e and v ie w s w i t h him .
D r s . M a ria F i t z e r a l d and B a r b a r a P i t t a m made my i n i t i a l s t a y i n
t h e D e p a r t m e n t a n d i n L o n d o n s m o o t h e r . D r . C o l i n G r a y a l w a y s
e x t e n d e d a h e l p i n g h a n d a n d w i t h o u t r e s e r v a t i o n . H i s s o f t w a r e
k n o w l e d g e a n d s u g g e s t i o n s made my w o rk a l o t e a s i e r . He h a s b e e n
v e r y c o m p a s s i o n a t e a l l a l o n g . Dr. H elen L i v e r s i d g e was v e r y h e l p f u l
a n d e n c o u r a g i n g . I a l s o t h a n k D r . PGT H o w e l l f o r h i s v a l u a b l e
s u g g e s t i o n s .
I r e c e i v e d e n o r m o u s s u p p o r t f r o m M a u r e e n A u r o r a a n d R oy
R a d c l i f f e . W ith o u t t h e i r h e l p I would n o t h a v e b e e n a b l e t o c o n t i n u e
my r e s e a r c h w o r k . T h a n k s a r e a l s o d u e t o S o l a S o e t a n , C h r i s t i n e
D a v i s a n d Tim P R o b s o n f o r t h e i r h e l p . I am i n d e b t e d t o t h e
L i b r a r i a n , R o y al V e t e r i n a r y C o l l e g e , London f o r a l l o w i n g me a c c e s s t o
t h e l i b r a r y f a c i l i t i e s .
T h a n k s t o t h e W o r ld H e a l t h O r g a n i s a t i o n f o r g r a n t i n g me a
f e l l o w s h i p f o r t h r e e y e a r s o f t h e p e r i o d o f my s t u d y a t UCL.
I v e r y much m is s e d my p a r e n t s and i n - l a w s . I a lw a y s f e e l t h e i r
b l e s s i n g s .
My s o n H a s i n who j u s t p a s s e d h i s 6 t h b i r t h d a y k e e p s on a s k i n g
me: "D ad, w h a t i s more i m p o r t a n t t o you? I s i t me o r y o u r PhD?" I
f i n d i t v e r y d i f f i c u l t t o c o n v i n c e h im t h a t h e i s . My d a u g h t e r
S n ig d h a (1 0 ) who e n j o y s w r i t i n g poems, c a n h a r d l y c o n s i d e r my PhD a s
h e r s u b j e c t . P e r h a p s , s h e h a t e s i t . I h o p e , s h e w i l l l i k e i t a f t e r
My w i f e R a i n y who s p e n t m ore t h a n a d e c a d e w i t h me, i s s t i l l
l o n g i n g f o r a s o u n d l i f e . A f t e r my f e l l o w s h i p c e a s e d , s h e h a s b e e n
w o r k in g h a r d t o e a r n t h e l i v e l i h o o d f o r o u r s e l v e s an d o u r c h i l d r e n .
W ith o u t h e r s u p p o r t , I c o u l d n o t h a v e f i n i s h e d . I w i l l n e v e r b e a b l e
t o g i v e h e r b a c k t h e s e few y e a r s .
F i n a l l y , I e x p r e s s my l o y a l t y t o t h e God who c r e a t e d t h i s
u n i v e r s e , g a v e u s k n o w le d g e t o d i s c o v e r t h i s , a n d t o whom we s h a l l
TABLE OF CONTENTS
T i t l e Page 1
A b s t r a c t 2
Acknowledgements 3
T a b le o f c o n t e n t s 5
L i s t o f f i g u r e s 7
L i s t o f t a b l e s l4
A b b r e v i a t i o n and common names u s e d i n t h e t h e s i s 17
CHAPTER 1 18
H i s t o r i c a l I n t r o d u c t i o n and Background
CHAPTER 2 30
F u r t h e r s t u d i e s i n t o t h e a d a p t a t i o n o f c o r t i c a l
bone t o f u n c t i o n w i t h s p e c i a l r e f e r e n c e t o t h e
d i f f e r e n t o r i e n t a t i o n s o f c o l l a g e n f i b r e s i n t h e
t e n s i o n and c o m p re s s io n c o r t i c e s .
2 . 1 . 1 I n t r o d u c t i o n 30
2 . 1 . 2 Use o f p o l a r i s e d l i g h t i n s t u d y i n g
bone l a m e l l a r o r g a n i s a t i o n 42
2 . 2 M a t e r i a l s and Methods 43
2 . 3 R e s u l t s 49
2.3 .1 Assay o f o s t e o n s , i n t e r s t i t i a l l a m e l l a e and
c o l l a g e n o r i e n t a t i o n . 49
2.3 .2 Q u a n t i t a t i o n o f c o l l a g e n h a v in g d i f f e r e n t
o r i e n t a t i o n s i n t h e t e n s i o n and c o m p re s s io n
c o r t e x 63
2.3 .3 The q u e s t i o n o f i n c i p i e n t c r a c k s 63
2.3 .4 O b s e r v a t i o n i n C o n f o c a l s c a n n in g l i g h t m i c ro s c o p y 66
2.3 .5 The q u e s t i o n o f c o l l a g e n o r i e n t a t i o n 77
2.3.5a LS and o b l i q u e s e c t i o n s o f t h e c r a n i a l
and c a u d a l c o r t i c e s i n LPL and CPL. 77
2.3.5b O b s e r v a t i o n s w i t h t h e L e i t z U n i v e r s a l s t a g e p o l a r i s i n g
m ic ro s c o p e 83
2.4 Discussion 99
CHAPTER 3 134
A s t r u c t u r a l p r e d i s p o s i t i o n t o s p o n ta n e o u s
f r a c t u r e i n E q uine l o n g bone: an i n h e r e n t
w eakness i n i t s t h r e e d im e n s io n a l a r c h i t e c t u r e .
3.1 .1 I n t r o d u c t i o n 134
3.1 .2 The anatomy o f Mc3 137
3.1 .3 P a th o l o g y o f t h e F e t l o c k j o i n t 138
3.2 .1 M a t e r i a l s and Methods 138
3.2 .2 E x a m in a tio n 1^8
3 .3 R e s u l t s 1^8
3 .4 D i s c u s s i o n 170
CHAPTER 4 181
T h r e e - d i m e n s i o n a l s t u d i e s i n t h e a n i s o t r o p y
o f a r t i c u l a r c a r t i l a g e
4 . 1 I n t r o d u c t i o n I8I
4 . 2 M a t e r i a l s and Methods 185
4 . 3 R e s u l t s 187
4 . 4 D i s c u s s i o n 201
CHAPTER 5 207
Summary, c o n c l u s i o n and f u t u r e d i r e c t i o n
REFERENCES 211
APPENDICES 2 4 l
1. The u s e o f P o l a r i s e d l i g h t m ic ro s c o p y i n
d e t e r m i n i n g c o l l a g e n f i b r e o r i e n t a t i o n i n bone 2 4 l
LIST OF FIGURES
F i g u r e 1 . 1 The anatomy o f t h e e q u i n e f o r e l i m b . 29
F i g u r e 2 . 1 The s i t e o f t h e r a d i u s from where
t h e t e s t sa m p le s a r e t a k e n . 45
F i g u r e 2 . 2 CPL m ic r o g r a p h s (montage) o f t h e c r a n i a l
and t h e c a u d a l c o r t i c e s o f a 11 y e a r o l d a n i m a l . 52
F i g u r e 2 . 3 CPL m ic r o g r a p h s (montage) o f t h e c a u d a l ,
c o m p r e s s io n c o r t e x o f 6 y e a r and 18 y e a r o l d a n i m a l s . 53
F i g u r e 2 . 4 CPL m i c r o g r a p h s o f t h e c r a n i a l , t e n s i o n
c o r t e x o f a 6 y e a r and a 18 y e a r o l d a n i m a l s . 54
F i g u r e 2 . 5 A verage number o f a l l o s t e o n s i n t h e
c r a n i a l and c a u d a l c o r t i c e s o f s e v e n e q u i n e r a d i i . 56
F i g u r e 2 . 6 Average number o f s e c o n d a r y o s t e o n s
i n c r a n i a l and c a u d a l c o r t i c e s o f s e v en e q u i n e r a d i i
p e r 1 s q . mm a r e a . 57
F i g u r e 2 . 7 Number o f s e c o n d a r y o s t e o n s p e r 1 s q . mm
a r e a i n c r a n i a l and c a u d a l c o r t i c e s o f r a d i u s o f one a n i m a l . 57
F i g u r e 2 . 8 LPL m ic r o g r a p h s o f t h e c r a n i a l c o r t e x
o f a 11 y e a r o l d a n i m a l. 59
F i g u r e 2 . 9 ) The c r a n i a l c o r t e x o f two a n im a ls
(12y & l8 y ) showing d i f f e r e n t f e a t u r e s . 60
F i g u r e 2 . 1 0 CPL image o f t h e c a u d a l c o r t e x o f
a 18 y e a r o l d a n im a l show ing a g r e a t e r b u l k o f
u n r e m o d e lle d bone to w a rd s i t s e n d o c o r t i c a l r e g i o n . 6 l
LS and o b l i q u e c o l l a g e n o r i e n t a t i o n i n t h e c r a n i a l
and c a u d a l c o r t i c e s o f s e v e n e q u i n e r a d i i a s p e r c e n t a g e s
o f t h e t o t a l 2* o s t e o n s . 62
F i g u r e 2 .1 2 R e l a t i v e d i s t r i b u t i o n o f t h e o b l i q u e
l a m e l l a e w i t h i n 2* i n t h e c r a n i a l ( t e n s i o n ) c o r t e x o f
s e v e n e q u i n e r a d i i . 65
F i g u r e 2 .1 3 A u t o f l u o r e s c e n t im ages o f t h e c r a n i a l
and c a u d a l c o r t i c e s o f two 18 y e a r o l d h o r s e s i n t h e
s u b - p e r i o s t e a l and t h e m i d - c o r t e x . 67
F i g u r e 2 . l 4 The s u b - p e r i o s t e a l r e g i o n o f t h e c r a n i a l
and t h e c a u d a l c o r t e x o f a 18 y e a r o l d a n im a l
a s s e e n i n t h e c o n f o c a l a u t o f l u o r e s c e n c e . 68
F i g u r e 2 .1 5 C o n fo c a l a u t o f l u o r e s c e n c e image o f t h e
c r a n i a l and t h e c a u d a l e n d o c o r t i c a l r e g i o n o f two
l 8 y e a r o l d a n i m a l s . 69
F i g u r e 2 .1 6 C o n fo c a l a u t o f l u o r e s c e n c e im ages o f
d i f f e r e n t r e g i o n s o f t h e c r a n i a l c o r t e x o f h o r s e r a d i u s
o f d i f f e r e n t a g e s . 70
F i g u r e 2 . 1 7 H ig h ly f l u o r e s c e n t 2" o s t e o n s to w a rd s
t h e endosteum o f b o t h t h e c r a n i a l and t h e c a u d a l
c o r t i c e s o f a I8 y e a r o l d h o r s e . 73
F i g u r e 2 .1 8 The c a u d a l c o r t e x o f a 6 y e a r o l d h o r s e
r a d i u s showing 2 “ o s t e o n s o f v a r i a b l e m i n e r a l i s a t i o n d e n s i t y . 7^
F i g u r e 2 .1 9 The d o r s a l c o r t e x o f M cIII o f two
e x tre m e age h o r s e s showing d i f f e r e n t f e a t u r e s
o f m i n e r a l i s a t i o n d e n s i t y i n c o n f o c a l a u t o f l u o r e s c e n c e . 75
and 24 y e a r o l d h o r s e s showing d i f f e r e n t
f l u o r e s c e n c e l e v e l s . 76
F i g u r e 2 .2 1 CPL & LPL im ages o f t h e c r a n i a l
s a g i t t a l l o n g i t u d i n a l s e c t i o n . 78
F i g u r e 2 . 2 2 LPL im ages showing e x t i n c t i o n i n
t h e c r a n i a l 4 5 ’ LS & 4 5 “ TS s e c t i o n s . 79
F i g u r e 2 . 2 3 100 vim t h i c k c a u d a l s a g i t t a l l o n g i t u d i n a l
s e c t i o n i n LPL & CPL v iew ed norm al t o t h e p l a n e o f
t h e o p t i c a x i s . 8 l
F i g u r e 2 .2 4 The c a u d a l o b l i q u e s e c t i o n s (45* TS & 45" LS)
i n CPL & LPL. 82
F i g u r e 2 .2 5 LPL im ages o f t h e c r a n i a l o b l i q u e
(45* LS) s e c t i o n view ed i n t h e U n i v e r s a l s t a g e
m ic ro s c o p e w i t h i t s p e r i o s t e a l m argin 45* t o t h e t i l t a x i s . 84
F i g u r e 2 . 2 6 LPL im ages o f t h e c r a n i a l t i l t e d l o n g i t u d i n a l
s e c t i o n view ed w i t h i t s p e r i o s t e a l m argin p a r a l l e l t o t h e t i l t
a x i s i n t h e U n i v e r s a l s t a g e m ic ro s c o p e . 85
F i g u r e 2 . 2 7 LPL im ages o f c a u d a l o b l i q u e (45* LS)
s e c t i o n s e e n i n t h e U n i v e r s a l s t a g e m i c r o s c o p e . 87
F i g u r e 2 .2 8 LPL im ages o f t h e c a u d a l o b l i q u e
(45* LS) s e c t i o n view ed w ith i t s p e r i o s t e a l m a rg in
p e r p e n d i c u l a r t o t h e t i l t a x i s i n U n i v e r s a l s t a g e m i c r o s c o p e . 88
F i g u r e 2 .2 9 LPL im ages o f t h e c a u d a l o b l i q u e (45* LS)
s e c t i o n view ed i n t h e U n i v e r s a l s t a g e M ic ro s c o p e w i t h i t s
p e r i o s t e a l m argin p a r a l l e l t o t h e t i l t a x i s . 89
t r a n s v e r s e (45* r a d i a l ) s e c t i o n , r e s o r b e d by c h i c
o s t e o c l a s t s showing r e s o r b e d a r e a s a t d i f f e r e n t l o c a t i o n s . 92
F i g u r e 2 . 3 1 BSE im ages o f c a u d a l t i l t e d l o n g i t u d i n a l
( t a n g e n t i a l 45*) s e c t i o n , r e s o r b e d by c h i c o s t e o c l a s t s . 93
F i g u r e 2 . 3 2 SE im ages o f r e s o r b e d c a u d a l c o r t i c a l
l o n g i t u d i n a l s e c t i o n . 94
F i g u r e 2 . 3 3 SE im ages o f n a t u r a l s u r f a c e o f t h e
H a v e r s i a n c a n a l w a l l s . 95
F i g u r e 2 . 3 4 SE im ages o f r e s o r b e d c r a n i a l
l o n g i t u d i n a l s e c t i o n s . 97
F i g u r e 2 .3 5 SE im ages o f t h e c a u d a l , c o r t i c a l
l o n g i t u d i n a l ( c o r o n a l ) and 45* p l u s 45* s e c t i o n s . 98
F i g u r e 3*1 D i f f e r e n t t y p e s o f t h e c o n d y l a r f r a c t u r e s
o f t h e t h i r d m e t a c a r p a l bo n e, and one M cIII s e c t i o n
o f t h e f r a c t u r e c a s e s . 139
F i g u r e 3*2 The p l a n o f t h e s e c t i o n i n g o f t h e bone
a t t h e s i t e o f t h e f r a c t u r e . l 4 l
F i g u r e 3 3 4mm t h i c k m id d le m e d i o - l a t e r a l s e c t i o n s
o f t h e d i s t a l M cIII o f 3 a n i m a ls o f d i f f e r e n t a g e s . l4 3
F i g u r e 3*4 The s i t e o f t h e n o t c h b e s i d e s t h e
s a g i t t a l r i d g e o f t h e d i s t a l M cIII
show ing v a r i a b l e d e n s i t y . l4 4
F i g u r e 3*5 A BSE montage o f a beam o f t h e t h i r d
m e t a c a r p a l bone o f a 7 y e a r o l d a n i m a l. 147
F i g u r e 3-6 BSE SEM image o f 4 b l o c k s o f one beam
show ing change i n t r a b e c u l a r o r i e n t a t i o n . 149-150
F i g u r e 3*7 LPL image o f i n t e r m i t t e n t l 6 t r a n s v e r s e
s e c t i o n s o f a beam. 152-154
F i g u r e 3*8 CSLM image o f PMMA embedded s u b - a r t i c u l a r
c a r t i l a g e bone b l o c k s o f two n e o n a t e s . 1 55-156
F i g u r e 3 9 LPL image o f 50 um t h i c k d e c a l c i f i e d
v e r t i c a l s e c t i o n s show ing d e v e l o p i n g
a n i s o t r o p i c a r c h i t e c t u r e . 158
F i g u r e 3 10 CSLM and SEM m ic r o g r a p h s showing
t h e c a l c i f i e d c a r t i l a g e h a s a te n d e n c y t o c l e a v e . 159
F i g u r e 3 11 CSLM & BSE SEM im ages showing o s t e o n a l
r e m o d e l l i n g & p o r o s i t y i n t h e t r a b e c u l a e . l 6 l
F i g u r e 3 12 AFCSLM im ages o f t h e i n t e r m i t t e n t
t r a n s v e r s e s e c t i o n s show ing t h e p a s s a g e o f v a s c u l a r
c h a n n e l s , and h y p e r m i n e r a l i s e d cem ent l i n e s i n t h e t r a b e c u l a e . 162
F i g u r e 3*13 SE im ages o f a n o r g a n i c bone s am p les
show ing e x t e n s i v e r e s o r p t i o n . 163
F i g u r e 3 1 4 D e c a l c i f i e d 50 pm t h i c k v e r t i c a l
s e c t i o n showing t h e c a l c i f i e d c a r t i l a g e z o n e . 164
F i g u r e 3 15 SEM im ages o f a 6 week m e ta p h y s e a l bone
& 1 day e p i p h y s i s show ing e x t e n s i v e r e s o r p t i o n . 166
F i g u r e 3 1 6 BSE im ages o f a 6 week M cIII t r a b e c u l a r
s u r f a c e showing e x t e n s i v e r e s o r p t i o n a t t h e b a s e and
a l o n g t h e s u r f a c e o f a t r a b e c u l u m . 167
o l d a n im a l m e ta c a rp u s to w a rd s t h e c a l c i f i e d c a r t i l a g e
end showing e x t e n s i v e r e s o r p t i o n e . 168
F i g u r e 3 «18 SE image o f h y p o c h l o r i t e t r e a t e d
one day a n im a l bone s am ple show ing s i m u l t a n e o u s
r e s o r p t i o n and f o r m a t i o n . 169
F i g u r e 4 . 1 50 pm t h i c k d e c a l c i f i e d LS s e c t i o n
i n t h e AP p l a n e o f t h e a r t i c u l a r c a r t i l a g e . 188
F i g u r e 4 . 2 50 pm t h i c k d e c a l c i f i e d l o n g i t u d i n a l
s e c t i o n i n t h e ML p l a n e o f t h e a r t i c u l a r c a r t i l a g e . 189
F i g u r e 4 . 3 PLM im ages o f 50pm t h i c k d e c a l c i f i e d
LS s e c t i o n i n t h e AP p l a n e o f t h e AC show ing t h e
r a d i a l f i b r e z o n e . 190
F i g u r e 4 . 4 LPL im ages o f 50pm t h i c k d e c a l c i f i e d
LS s e c t i o n i n t h e ML p l a n e o f t h e AC show ing
r a d i a l f i b r e s i n d i f f e r e n t d e g r e e o f r o t a t i o n . 191
F i g u r e 4 . 5 CPL im ages o f t h i n h a n d - c u t LS
o f 1 day AC i n b o t h AP and ML p l a n e s . 193
F i g u r e 4 . 6 CPL im ages o f t h i n h a n d - c u t LS o f 6 wk AC
showing d e v e l o p i n g v e r t i c a l columns o f c h o n d r o c y t e l a c u n a e . 194
F i g u r e 4 . 7 SE image o f t h e a r t i c u l a r c a r t i l a g e
s u r f a c e o v e r t h e d i s t a l c o n d y le o f M cIII
show ing p re d o m in a n t AP o r i e n t e d p a r a l l e l f i b r e s
w i t h i n t h e c h o n d r o c y t r e l a c u n a e on t h e s u r f a c e . 196
F i g u r e 4 . 8 SE image o f p a r t i a l l y a n o r g a n i c
s u b c h o n d r a l bone s u r f a c e o v e r t h e d i s t a l c o n d y le
show ing AP f i b r e s i n p a r t l y d i g e s t e d m a t r i x . 197
F i g u r e 4 . 9 a) SE image o f a g ro u n d b lo c k from
t h e M cIII d i s t a l c o n d y l a r r e g i o n showing s p l i t s
i n t h e c a l c i f i e d c a r t i l a g e , b) A norg an ic p r e p a r a t i o n
o f t h e s u b c h o n d r a l bone m i n e r a l i s i n g f r o n t s u r f a c e
o f two a n i m a ls show ing p e r i c e l l u l a r m i n e r a l i s a t i o n . 198
F i g u r e 4 . 1 0 SE im ages o f h y p o c h l o r i t e & h y d ro g e n
p e r o x i d e t r e a t e d s u b c h o n d r a l bone s u r f a c e show ing AP
f r a c t u r e s . 199
F i g u r e 4 . 1 1 BSE im ages o f PMMA embedded s u b - a r t i c u l a r
c a r t i l a g e bone b l o c k s show ing s p l i t s i n t h e c a l c i f i e d
LIST OF TABLES
T a b l e 2 . 1 P r i n c i p a l modes o f p r e p a r a t i o n and
s t u d y o f s a m p le s . 43
T a b l e 2 . 2 R e l a t i v e number o f 1 “ & 2" o s t e o n s
i n t h e c r a n i a l and c a u d a l c o r t i c e s o f r a d i i o f
f i v e known and two unknown age h o r s e s a s p e r c e n t a g e s . 51
T a b l e 2 . 3
P r o p o r t i o n o f o b l i q u e and l o n g i t u d i n a l c o l l a g e n
l a m e l l a e i n 2* o s t e o n s i n t h e c r a n i a l and c a u d a l
c o r t i c e s o f s e v e n e q u i n e r a d i i . 64
T a b l e 2 . 4 R e l a t i v e number o f b r i g h t
(more f l u o r e s c e n t ) 2° o s t e o n s i n t h e c r a n i a l and
t h e c a u d a l c o r t e x o f r a d i i o f 7 a n i m a l s . 71
T a b l e 2 . 5 a Number o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
(from p e r i o s t e u m t o endosteum ) i n p a i r s o f
u n d e c a l c i f i e d p l a n e p a r a l l e l s e c t i o n s o f c r a n i a l
c o r t e x o f a l 8 y e a r o l d a n i m a l. I l l
T a b l e 2 . 5 b Number o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
(from p e r io s t e u m t o endosteum ) i n p a i r s o f
u n d e c a l c i f i e d p l a n e p a r a l l e l s e c t i o n s o f c a u d a l
c o r t e x o f a 18 y e a r o l d a n i m a l. 112
T a b l e 2 . 6 a Number o f o s t e o n s i n t h e c r a n i a l c o r t e x
o f a 11 y e a r o l d a n i m a l. 113
T a b l e 2 .6 b Number o f o s t e o n s i n t h e c a u d a l c o r t e x
o f a 11 y e a r o l d a n i m a l. I l 4
T a b l e 2 . 7 a T o t a l no. o f o s t e o n s i n a r e a s
e x t e n d i n g from p e r i o s t e a l t o e n d o s t e a l s i d e i n
t h e c r a n i a l s e c t i o n s o f t h e h o r s e r a d i u s
o f a unknown age a n i m a l. 115
T a b l e 2 . 7 b No. o f o s t e o n s i n a r e a s
( p e r i o s t e a l t o e n d o s t e a l ) i n t h e c a u d a l s e c t i o n s
o f a r a d i u s o f a unknown age a n i m a l . 115
T a b l e 2 . 8 a No. o f o s t e o n s i n a r e a s on t h e
p e r i o s t e a l s i d e i n t h e c r a n i a l s e c t i o n s o f a r a d i u s
o f a unknown age a n i m a l. 116
T a b l e 2 . 8 b No. o f o s t e o n s i n a r e a s on t h e
p e r i o s t e a l s i d e i n t h e c a u d a l s e c t i o n s o f a
r a d i u s o f a unknown age a n i m a l . I l 6
T a b l e 2 . 9 a Number o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
i n t h e c r a n i a l c o r t e x o f 6 y e a r o l d h o r s e r a d i u s . 11?
T a b l e 2 . 9 b Number o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
i n t h e c a u d a l c o r t e x o f 6y o l d h o r s e r a d i u s . 117
T a b l e 2 . 1 0 a Number o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
i n t h e c r a n i a l c o r t e x o f an unknown age (2) a n i m a l. 117
T a b l e 2 .1 0 b Number o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
i n unknown age (2) c a u d a l c o r t e x . I l 8
T a b l e 2 . 1 1 a Number o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
i n 12y c r a n i a l c o r t e x . I l 8
T a b l e 2 .1 1 b Number o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
i n 12y c a u d a l c o r t e x . I l 8
T a b l e 2 . 1 2 a No. o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
T a b l e 2 .1 2 b No. o f o s t e o n s i n 20 a r e a s
i n l 8 y (2) c a u d a l s e c t i o n s . 119
T a b l e s 2 . 1 3 - 2 . 1 9 120-133
R e l a t i v e d e s c r i p t i o n o f p r o p o r t i o n o f l o n g i t u d i n a l a n d o b l i q u e
c o l l a g e n i n u n d e c a l c i f i e d p l a n e p a r a l l e l s e c t i o n s o f 1 0 0 pm
t h i c k n e s s , o n e e a c h f ro m t h e c r a n i a l a n d c a u d a l c o r t i c e s o f 7
a n i m a l s . H i t s on g r i d i n s e c o n d a r y o s t e o n s w ere r e c o r d e d , s u b d i v i d i n g
i n t o m ost p e r i p h e r a l , m i d t h i c k n e s s and c e n t r a l .
T a b l e 2 . 1 3 a - b 6y c r a n i a l and c a u d a l s e c t i o n s . 120-121
T a b l e 2 . l 4 a - b l l y c r a n i a l and c a u d a l s e c t i o n s
T a b l e 2 . 1 5 a - b 12y c r a n i a l and c a u d a l s e c t i o n s .
T a b l e s 2 . l 6 a - b l 8 y c r a n i a l and c a u d a l c o r t e x .
T a b l e s 2 . 1 7 a - b l8 y (2) c r a n i a l and c a u d a l c o r t e x ,
122-123
1 24 -125
126-127
128-129
T a b l e s 2 . l 8 a - b Unknown age (1) c r a n i a l and c a u d a l c o r t e x . I3O - I3I
T a b l e s 2 . 1 9 a - b Unknown age (2) c r a n i a l and c a u d a l c o r t e x . 132-133
T a b l e 3*1 P r i n c i p a l modes o f p r e p a r a t i o n
and s t u d y o f s a m p le s . 138
T a b l e 4 . 1 P r i n c i p a l modes o f p r e p a r a t i o n
and s t u d y o f s a m p le s . 185
A b b r e v i a t i o n and common names u s e d i n t h e t h e s i s
1° = p r i m a r y o s t e o n
2 “ = s e c o n d a r y o s t e o n .
LS = l o n g i t u d i n a l
TS = t r a n s v e r s e
AP = a n t e r o - p o s t e r i o r = c r a n i o - c a u d a l = d o r s o - p a l m a r = s a g i t t a l
ML = m e d i o - l a t e r a l = c o r o n a l
AC = a r t i c u l a r c a r t i l a g e
CO = c a l c i f i e d c a r t i l a g e
M c III = t h i r d m e t a c a r p a l b o n e.
PLM = P o l a r i s e d l i g h t mocroscopy
LPL = L i n e a r l y p o l a r i s e d l i g h t
CPL = C i r c u l a r l y P o l a r i s e d l i g h t
AFCSLM =|Aut6Î!lîQi6hès,pèr^^ c o n f o c a l s c a n n i n g l i g h t m ic r o s c o p e
SEM = S c a n n in g e l e c t r o n m ic ro s c o p e
SE = S eco n d ary e l e c t r o n e m i s s i o n mode
CHAPTER 1
HISTORICAL INTRODUCTION AND BACKGROUND
The b io m e c h a n i c a l com petence o f b o n e s d ep en d s upon t h e s t r e n g t h
o f b o n e t i s s u e , w h i c h a g a i n d e p e n d s o n m a s s , d e n s i t y , t h r e e
d i m e n s i o n a l a r r a n g e m e n t and t h e s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l .
Mass d e n o t e s bone q u a n t i t y w h i l e t h e o t h e r f a c t o r s c o n s t i t u t e bone
q u a l i t y .
Bone’ s m a t e r i a l p r o p e r t i e s depend on t h e m i c r o s c o p i c s t r u c t u r e
o f t h e c a l c i f i e d m a t r i x a s w e l l a s i t s c o m p o s i t i o n . P o r o s i t y
( f r a c t i o n o f t h e m a t e r i a l o c c u p i e d by s o f t t i s s u e s p a c e ) , d e g r e e o f
m i n e r a l i s a t i o n , c o l l a g e n f i b r e o r i e n t a t i o n , h i s t o l o g i c a l s t r u c t u r e
( p r i m a r y o r s e c o n d a r y o s t e o n a l b o n e ) an d f a t i g u e dam age a r e t h e
d e t e r m i n i n g f a c t o r s . Changes i n t h e s e v a r i a b l e s , and a l s o c h a n g e s i n
m i c r o s t r u c t u r a l and c o m p o s i t i o n a l s t a t u s c a u s e d by r e m o d e l l i n g c a u s e
a change i n m a t e r i a l s t r e n g t h ( f a i l u r e s t r e s s ) and s t i f f n e s s ( e l a s t i c
m odulus) o f bone.
B one s t r e n g t h i s t h e m a i n d e t e r m i n a n t o f t h e m e c h a n i c a l
i n t e g r i t y o f t h e b o n e i t s e l f . C e r t a i n e x t r a - o s s e o u s f a c t o r s a l s o
c o n t r i b u t e t o i t . B one s t r u c t u r a l f a i l u r e d e p e n d s on t h e f o r c e
a p p l i e d , and t h e b o n e ’ s s t r e n g t h t o r e s i s t t h e f o r c e . F r a c t i o n a l
v o lu m e c o r r e l a t e s w e l l w i t h b o n e s t r e n g t h . H o w e v e r , i t i s n o t
s u f f i c i e n t t o e x p l a i n why i n d i v i d u a l s w i t h n o r m a l v a l u e s s u s t a i n
f r a c t u r e w h i l e t h o s e w i t h low bone mass do n o t . G a r d s e l l f a i l e d t o
f i n d a n y d i f f e r e n c e b e t w e e n f r a c t u r e a n d n o n - f r a c t u r e g r o u p s
( G a r d s e l l e t a l 1989, 1 9 9 0 ) . Thus bo n e s t r e n g t h a l s o d e p e n d s upon
t h e s t r u c t u r a l m a t e r i a l p r o p e r t i e s a n d i t s t h r e e - d i m e n s i o n a l
a r c h i t e c t u r e ( M e l t o n e t a l 1 9 8 8 ) , j o i n t l y r e f e r r e d t o a s b o n e
q u a l i t y . Bone q u a l i t y b r o a d l y c o v e r s t h e a r c h i t e c t u r e o f bone - b o th
c o r t i c a l and t r a b e c u l a r , t h e c o m p o s i t i o n a n d o r g a n i s a t i o n o f t h e
m a t r i x and i t s m i n e r a l i s a t i o n p r o f i l e . The l o a d i n g h i s t o r y i s an
i m p o r t a n t p a r a m e t e r f o r t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f b o n e , e s p e c i a l l y
i n r e l a t i o n t o t h e c h a n g e i n o r g a n i s a t i o n i n r e s p o n s e t o d i f f e r e n t
t y p e s o f s t r a i n and t h e e x t e n t o f f a t i g u e damage and i t s r e p a i r by
r e m o d e l l i n g . Bone q u a l i t y i s n o t s o m e th in g s t a t i c . I t i s c o n s t a n t l y
c h a n g in g i n c o m p lia n c e w i t h f u n c t i o n a l h i s t o r y . E very chan g e i n t h e
f u n c t i o n o f b o n e i s f o l l o w e d by c e r t a i n d e f i n i t e c h a n g e s i n t h e
i n t e r n a l a r c h i t e c t u r e and e x t e r n a l c o n f o r m a tio n (W olff 1 8 9 2 ).
Bone s t r e n g t h and t h e i n d i v i d u a l ’ s e n v i r o n m e n t c o n c o m i t a n t l y
c o n t r i b u t e t o t h e o c c u r r e n c e o f f r a c t u r e . P r o p e n s i t y t o f a l l ,
i m p a i r e d p o s t u r a l r e f l e x e s d u r i n g f a l l i n g , i n s u f f i c i e n t s o f t t i s s u e
o v e r t h e p o i n t o f i m p a c t t o d i s t r i b u t e t h e f o r c e o f t h e f a l l , and
e n v i r o n m e n t a l h a z a r d s a r e t h e a d d i t i o n a l f a c t o r s t h a t c o n s t i t u t e t h e
e n v i r o n m e n t o f t h e i n d i v i d u a l . Some p o i n t o u t t h a t t h e f o r c e o f a
f a l l from a s t a n d i n g h e i g h t , p r o p e r l y a p p l i e d , i s s u f f i c i e n t t o b r e a k
any a d u l t bone (Heaney 1993)»
Bone f r a g i l i t y d e p e n d s on s e v e r a l f a c t o r s s u c h a s t r a b e c u l a r
c o n n e c t i v i t y , a l t e r a t i o n s i n b o n e a r c h i t e c t u r e , m i c r o f r a c t u r e s
v i s i b l e a t l i g h t m i c r o s c o p i c l e v e l , m i c r o c r a c k s o r d e f e c t s a t t h e
u l t r a s t r u c t u r a l l e v e l , bone q u a l i t y and c o n t i n u o u s c h a n g e s i n bone
c o m p o s i t i o n . F a t i g u e dam age c a u s e s b o n e f r a g i l i t y , a p r o c e s s t h a t
i n v o l v e s p r o d u c t i o n o f h i s t o l o g i c a l l y o b s e r v a b l e c r a c k s . I f s u c h
c r a c k s a r e n o t r e p a i r e d , t h e i r g r a d u a l d e v e l o p m e n t and c o a l e s c e n c e
e v e n t u a l l y l e a d t o bone f r a c t u r e .
M echanisms t h a t l e a d t o bo n e f r a g i l i t y may be d i f f e r e n t . I n
low t u r n o v e r o s t e o p o r o s i s , t h e r e a r e l a r g e r b u r d e n s o f f a t i g u e damage
c a u s i n g i n c r e a s e d b o n e f r a g i l i t y , a n d h e n c e i n c r e a s e d r i s k o f
f r a c t u r e . I n h i g h t u r n o v e r o s t e o p o r o s i s g r o u p s , f a s t e r b o n e l o s s
f o l l o w s i n c r e a s e d r e m o d e l l i n g which g i v e s r i s e t o l a r g e r r e m o d e l l i n g
s p a c e s i n bone s t r u c t u r e t h a t f a v o u r i n c r e a s e d r i s k o f f r a c t u r e .
V a r i o u s f a c t o r s i n f l u e n c e bone a t b o t h macro and m i c r o l e v e l s
t h r o u g h o u t l i f e . M o d e llin g ch a n g e s t h e o v e r a l l s h a p e o f bone o r g a n s
i n r e s p o n s e t o p h y s i o l o g i c and m e c h a n i c a l i n f l u e n c e s . B o n es may
w id e n o r c h a n g e i n s h a p e by t h e r e m o v a l o r a d d i t i o n o f b o n e , e g . ,
p e r i o s t e a l g r o w t h ( a d d i t i o n o f new l a y e r s o f b o n e ) i n c r e a s e s t h e
w i d t h o f a l o n g b o n e , w h i l e re m o v a l o f b o n e o c c u r s a t t h e e n d o s t e a l
s u r f a c e w id e n in g t h e lumen o f t h e c y l i n d e r .
R e m o d e l l i n g i s t h e r e s u l t o f c o u p l i n g o f f o r m a t i o n a n d
r e s o r p t i o n , n o r m a l l y a b a l a n c e d p r o c e s s . The c e l l s r e s p o n s i b l e
c o n s t i t u t e t h e B a s i c M u l t i c e l l u l a r U n i t (BMU: F r o s t 1 9 ^ 9 ) o r Bone
an i n d i v i d u a l BRU g i v e s r i s e t o a Bone S t r u c t u r a l U n i t (BSU: F r o s t
1 9 6 9• E r i k s e n I9 8 6) . The l i f e s p a n o f i n d i v i d u a l o s t e o c l a s t n u c l e i i s
o n l y a few d a y s o r w e e k s , and t h a t o f t h e o s t e o b l a s t i s o n l y a few
months ( F r o s t I9 8 6) . O s t e o c y t e l o n g e v i t y i s e s t i m a t e d t o b e a b o u t 25
y e a r s ( F r o s t I9 8 5) .
I n c o r t i c a l b o n e , t h e BRU i s a p p r o x i m a t e l y 400pm l o n g and
200pm w id e a t t h e b a s e . An i n d i v i d u a l BRU b o r e s l o n g i t u d i n a l l y
th r o u g h t h e c o r t e x a t a r a t e o f 40pm p e r day (J a w o r s k i and Lok 1 9 7 2 ),
known a s t h e c u t t i n g c o n e , l e a v i n g new bone b e h i n d , t h e c l o s i n g c o n e.
D u r i n g t h e p r o c e s s , new b o n e i s l a i d down a r o u n d a c e n t r a l c a n a l
c o n t a i n i n g b l o o d v e s s e l s , a l o n g t h e l o n g a x i s o f t h e BRU. T h u s i t
g i v e s r i s e t o a bone s t r u c t u r a l u n i t , a c o r t i c a l o s t e o n o r H a v e r s i a n
s y s t e m w h e r e c o l l a g e n f i b r e l a m e l l a e a r e a r r a n g e d i n c o n c e n t r i c
l a y e r s a r o u n d t h e c e n t r a l c a n a l . R e m o d e l l i n g d o e s n o t p r o c e e d w i t h
t h e sam e i n t e n s i t y on t h e p e r i o s t e a l a n d e n d o s t e a l a s p e c t s . An
i m b a l a n c e i n r e m o d e l l i n g ( r e s o r p t i o n a n d f o r m a t i o n ) on p e r i o s t e a l
s u r f a c e s w i t h a n e t i n c r e a s e i n b o n e c o n t r i b u t e s t o a p p o s i t i o n a l
grow th and f r a c t u r e r e p a i r . On e n d o s t e a l s u r f a c e s r e m o d e l l i n g o c c u r s
a t a h i g h e r i n t e n s i t y ; t h e r a t e o f r e s o r p t i o n e x c e e d s t h e r a t e o f
f o r m a t i o n r e s u l t i n g i n e n d o c o r t i c a l t h i n n i n g a n d e x p a n s i o n o f t h e
c y l i n d e r i n l o n g b o n e s .
Though BRU t a k e a d i f f e r e n t forms i n t h e t r a b e c u l a r com ponent,
y e t t h e p u r p o s e i s t h e s a m e ; o l d b o n e i s r e p l a c e d w i t h n e w .
C a n c e l l o u s bone c o n s i s t s o f bony t r a b e c u l a e , e i t h e r t h i n p l a t e s o r
s p i c u l e s w i t h a t h i c k n e s s r a n g e from 50p® t o 400pm ( E r i k s e n e t a l
1 9 9 4) . The t r a b e c u l a e a r e i n t e r - c o n n e c t e d i n a honey co m b p a t t e r n
p r o v i d i n g m a x im a l m e c h a n i c a l s t r e n g t h . T r a b e c u l a r a r c h i t e c t u r e
f o l l o w s a p a t t e r n t h a t e n s u r e s maximal a d a p t a t i o n t o t h e p r e v a i l i n g
s t r e s s d i r e c t i o n .
R e m o d e llin g a s a m o d i f i e r o f bone s t r e n g t h .
R e m o d e ll in g b r i n g s c h a n g e s i n bone s t r u c t u r e t h r o u g h o u t l i f e .
Removal o f o l d bo n e i s f o l l o w e d by s y n t h e s i s o f new b o n e m a t r i x and
i t s s u b s e q u e n t m i n e r a l i s a t i o n . S i n c e r e m o d e l l i n g i s u s u a l l y a
b a l a n c e d p r o c e s s o f r e s o r p t i o n an d f o r m a t i o n , i t p r e s e r v e s t h e
m e c h a n i c a l i n t e g r i t y o f t h e s k e l e t o n . At t h e same t i m e , i t a l t e r s
t h e b o n e a r c h i t e c t u r e a n d c o m p o s i t i o n l e a d i n g t o c h a n g e i n i t s
c a p a c i t y t o w i t h s t a n d v a r i e t i e s o f s t r a i n . M oreover, i f f o r m a t i o n i s
n o t c o u p le d w i t h r e s o r p t i o n , bone rem oval o b v i o u s l y l e a d s t o im p a i r e d
m e c h a n ic a l co m p eten c e.
As r e m o d e l l i n g e v e n t s p r o c e e d , o l d e r b o n e i s r e p l a c e d by new
H a v e r s i a n u n i t s . A n e t i n c r e a s e i n p o r o s i t y may r e s u l t n e a r t h e
m e d u l l a r y c a n a l d u e t o t h e a p p e a r a n c e o f l a r g e r H a v e r s i a n c a n a l s .
T h i s t e n d e n c y i s r e d u c e d on t h o s e s i d e s o f t h e b o n e w h e r e
l o n g i t u d i n a l b e n d i n g s t r e s s e s a r e h a b i t u a l l y h i g h e r , i . e . , i n c r e a s e
i n e n d o s t e a l b o n e l o s s a n d i n t r a c o r t i c a l p o r o s i t y o c c u r
p r e f e r e n t i a l l y n e a r t h e n e u t r a l a x i s f o r b e n d i n g o f l o n g b o n e s
(M a r tin and B u rr I9 8 9) , s u g g e s t i n g t h a t s t r e s s i n h i b i t s r e m o d e l l i n g as
w e l l as s t i m u l a t i n g p e r i o s t e a l m o d e lli n g .
I n c a n c e l l o u s b o n e e a c h r e m o d e l l i n g e v e n t p r o d u c e s a s m a l l
i n c r e a s e i n p o r o s i t y . I f r e s o r p t i o n c o n t i n u e s , and i s n o t c o u p l e d
w i t h b a l a n c e d f o r m a t i o n , t h e t r a b e c u l a e g e t t h i n n e r . F u r t h e r
r e s o r p t i o n l e a d s t o p e r f o r a t i o n , o r t h i n n i n g and d i s c o n n e c t i o n o f t h e
t r a b e c u l a e . P e r f o r a t e d t r a b e c u l a e becom e c o m p l e t e l y u n l o a d e d , and
c o n s e q u e n t l y a r e r e s o r b e d ( P a r f i t t 1 9 8 4 , I 9 8 7; M o s e k i l d e 1 9 9 0 ;
J a y a s i n g h e e t a l 1 9 9 3 )• W h e t h e r t h e f r e e e n d s t h a t f o l l o w t h e s e v e r i n g o f t h e t r a b e c u l a e rem a in u n ch an g e d , o r become c o a t e d by new
bone f o r m a t i o n , t h e y n e v e r r e g a i n c o n t i n u i t y ( J a y a s i n g h e e t a l 1 9 9 3 ).
S t u d i e s sh o w t h a t v e r t i c a l m a i n l o a d b e a r i n g s t r u t s a r e l e s s
f r e q u e n t l y a f f e c t e d t h a n t h e h o r i z o n t a l t r a b e c u l a e i n v e r t e b r a l
b o d i e s l e a d i n g t o a g e - r e l a t e d i n c r e a s e i n c a n c e l l o u s bone a n i s o t r o p y
(M ose k ild e 1989; J a y a s i n g h e e t a l 1 9 9 3 ).
SEM s t u d i e s f u r t h e r r e v e a l t h e e v e n t s t h a t t h e t r a b e c u l a e
u n d e r g o d u r i n g r e s o r p t i o n when d e e p v e r t i c a l e x c a v a t i o n s l e a d t o
s e v e r i n g o f t h e t r a b e c u l a e . T r a b e c u l a e g e t t h i n n e r b y l o n g
r e s o r p t i o n g ro o v e s t h a t e x t e n d a l o n g t h e l o n g a x e s o f t h e t r a b e c u l a e
from n o d e t o n o d e . G r a d u a l l y , s e v e r i n g o f t h e t r a b e c u l a e c a u s e s
b r e a c h e s i n t h e t r a b e c u l a r n e t w o r k and c o n n e c t i v i t y . U l t i m a t e l y t h e
b o n e ' s a r c h i t e c t u r a l c o m p e t e n c e d e t e r i o r a t e s w i t h t h e p r o c e s s
( J a y a s i n g h e e t a l 1993: J o n e s and Boyde 1 9 9 4 ).
L o a d in g a c t i v a t e s i n c r e a s e d o s t e o n a l r e m o d e l l i n g ( B u r r e t a l
ways; p r i m a r i l y i n t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f t h e s k e l e t o n . A c c o rd in g
t o o n e s c h o o l o f t h o u g h t , d u r i n g l i f e , i n n o r m a l i n d i v i d u a l s ,
s k e l e t a l l o a d i n g p r o d u c e s f a t i g u e d a m a g e o r m i c r o c r a c k s i n t h e
c a l c i f i e d m a t r i x u n d e r p h y s i o l o g i c a l c o n d i t i o n s ( B u r r e t a l 1985»
S c h a f f l e r e t a l 1989» 1 9 9 0 ) . R e m o d e l l i n g f o l l o w s t o r e p a i r t h e
f a t i g u e dam age ( F r o s t 1 9 6 3 ; C a r t e r a n d H a y e s 1 9 7 7 ) ' Some s t u d i e s
p r o v i d e e v i d e n c e t h a t f a t i g u e c r a c k s p r o d u c e d a s a r e s u l t o f
m e c h a n i c a l l o a d i n g , l e a d t o an i n c r e a s e i n n u m b e r o f o s t e o n a l
r e s o r p t i o n c a v i t i e s ( B u rr e t a l 1985» Mori and B u r r 1991)»
T h u s f a t i g u e r e l a t e d m i c r o - d a m a g e a s m a n i f e s t e d by
h i s t o l o g i c a l l y d e f i n e d c r a c k s ( F r o s t 1960b; B u r r and S t a f f o r d 1990)
d o e s n o t n o r m a l l y a c c u m u l a t e w i t h a g e ( F r o s t 1 9 6 0 b ) . S e v e r a l
m e c h a n is m s o f r e p a i r i n g f a t i g u e dam age h a v e b e e n p u t f o r w a r d . I f
r e m o d e l l i n g o c c u r s a s a r e p a r a t i v e m easure f o r f a t i g u e damage. F r o s t
h y p o t h e s i s e d t h a t d am age c a u s i n g d i s r u p t i o n i n t h e c a n a l i c u l a r
n e t w o r k t r i g g e r s a c e l l u l a r membrane r e s p o n s e i n o s t e o c y t e s w h ic h
e v e n t u a l l y s i g n a l s t h e a p p r o p r i a t e c e l l p o p u l a t i o n w i t h i n t h e
H a v e r s i a n c a n a l t o b e g i n t h e p r o c e s s o f r e p a i r ( F r o s t 1 9 7 3 . 1 9 8 5 ) .
O th e r s a d v o c a te a d i f f e r e n t mechanism - a b r e a c h i n l a m e l l a r b o n d in g
t h a t f o l l o w s m i c r o c r a c k s r e l i e v e s t h e u s u a l s t r e s s t r a n s m i t t e d from
t h e s u r r o u n d i n g b o n e t o t h e H a v e r s i a n c a n a l , a n d i n i t i a t e s
r e m o d e l l i n g ( M a r t i n and B u r r 1 9 8 2 ) . I n a d d i t i o n t o t h e e x c i t a t o r y
s i g n a l s conveyed by o s t e o c y t e s p r e s e n t a d j a c e n t t o t h e damaged a r e a ,
Lanyon p r o p o s e s t h a t t h e a b s e n c e o f c o n t i n u o u s i n h i b i t o r y s i g n a l from
t h e o s t e o c y t e s i n t h e damaged a r e a ( o s t e o c y t e s k i l l e d o r damaged) t o
p r e v e n t o s t e o c l a s t i n v a s i o n e v e n t u a l l y m i g h t w o rk a s a s i g n a l
i n v i t i n g r e p a i r (Lanyon 1 9 9 3 ).
P h y s i o l o g i c a l l y lo a d e d bone a p p a r e n t l y d o e s n o t s u s t a i n s t r a i n
damage ( C u r r e y 1968, 1 9 8 4 ) . As Lanyon p r o p o s e s (Lanyon I9 8 7)» when
t h e s t r a i n r i s e s a b o v e a t h r e s h o l d l e v e l ( s t i l l u n a b l e t o c a u s e
m i c r o f r a c t u r e ) , t h e change t h a t o c c u r s i n t h e d eform ed m a t r i x s u c h a s
r e o r i e n t a t i o n o f p r o t e o g l y c a n s ( S k e r r y e t a l I9 8 8) , a r e d e t e c t e d by
t h e o s t e o c y t e s i n t h e v i c i n i t y . The o s t e o c y t e s t h e n s i g n a l t o t h e
a p p r o p r i a t e c e l l p o p u l a t i o n t h r o u g h t h e i r c o m m u n ica tio n s t o i n i t i a t e
r e m o d e l l i n g p r o c e s s . P r o t e o g l y c a n s a r e b e l i e v e d t o b e r e s p o n s i b l e
p r o v i d i n g e x t r a c e l l u l a r i n f o r m a t i o n a s t h e y h a v e s t a b i l i s i n g
p r o p e r t i e s on f i b r i l l a r p r o t e i n s (Meyer I 9 6 0 ) . P ead a n d c o - w o r k e r s
(1988a) showed t h a t o s t e o c y t e s r e c e i v e f i r s t h a n d i n f o r m a t i o n from
t h e deform ed m a t r i x i n l o a d i n g b o nes beyond t h e p h y s i o l o g i c a l l i m i t .
Lanyon ( I9 8 7) a l s o s u g g e s t e d t h a t a few s i g n a l s o f s h o r t i n t e r m i t t e n t
l o a d i n g a r e enough t o i n i t i a t e r e m o d e l l i n g . O b v i o u s l y , t h e s e s o r t s
o f l o a d i n g a r e n o t c a p a b l e o f p r o d u c i n g damage i n t h e b o n e m a t r i x .
Under t h e s e c i r c u m s t a n c e s , t h e r e m o d e l l i n g i s n o t i n i t i a t e d t o r e p a i r
dam age, b u t t o p r e v e n t i m p e n d in g f a i l u r e , r e s i s t i n g d i s c o n t i n u i t i e s
i n t h e bone m a t r i x , and h e l p t o m a i n t a i n t h e m e c h a n ic a l i n t e g r i t y o f
b o n e.
I n t h e e v e n t o f f a t i g u e d a m a g e , a l t h o u g h t h e r e m o d e l l i n g
p r o c e s s c o n t i n u a l l y r e p a i r s t h e dam age, i t may n o t e f f e c t i v e l y h e a l
a l l t h e d a m a g e t h e b o n e s u s t a i n s . T h u s t h e r e i s a l w a y s an
a c c u m u l a t i o n o f damage w a i t i n g f o r r e p a i r t h r o u g h o u t t h e s k e l e t o n .
T h i s d a m ag e i s t h o u g h t t o c o r r e s p o n d t o m i c r o c r a c k s , w h i c h a r e
v i s i b l e h i s t o l o g i c a l l y (B u rr and S t a f f o r d 1 9 9 0 ). R e m o d e llin g e v e n t s
may p ro d u c e weak i n t e r f a c e s i n t h e c a l c i f i e d m a t r i x ; cem ent l i n e s may
weaken t h e c o r t i c a l bone f o r m o notonie l o a d i n g . R em odelled c o r t i c a l
bo n e i s w e a k e r and l e s s s t i f f t h a n p r i m a r y bo n e i n t e n s i o n . F a t i g u e
damage r e d u c e s t h e e l a s t i c m o d u lu s and m a t e r i a l s t r e n g t h o f b o n e
( C a r t e r and Hayes 1977; McElhaney e t a l 1 9 7 0 ). Human s e c o n d a r y bone i s
8 0% a s s t r o n g a n d 9 1% a s s t i f f i n t e n s i o n ffei p r i m a r y b o n e
( V i n c e n t e l l i and G rig o ro v I9 8 5) .
As m a t e r i a l s t r e n g t h i s r e d u c e d , t h e b o n e b e c o m e s m o re
s u s c e p t i b l e t o t r a u m a t i c f r a c t u r e . However, a t t h e same t i m e , t h e
weak i n t e r f a c e s p r o v i d e p r o t e c t i o n a g a i n s t f a t i g u e f a i l u r e . Where
t h e f a i l u r e i s a r r e s t e d , t r a n s v e r s e f a t i g u e c r a c k s a r e d i v e r t e d i n t o
l o n g i t u d i n a l p a t h s . Rem odelled b o n e , which r e p l a c e s t h e damaged bone
f o l l o w i n g f a t i g u e damage, i s b e t t e r a b l e t o r e s i s t f a i l u r e by f a t i g u e
c r a c k i n g .
C o ll a g e n f i b r e o r i e n t a t i o n
C o l l a g e n f i b r e o r i e n t a t i o n i s a m a j o r d e t e r m i n a n t o f b o n e
s t r e n g t h ( V i n c e n t e l l i and Evans 1971; Evans 197^; R ig g s e t a l 1 9 9 3 b ).
R e m o d e l l i n g a t d i f f e r e n t r e g i o n s s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t s t r a i n
o r i e n t a t i o n which a r e b e t t e r c a p a b l e t o w i t h s t a n d d i f f e r e n t t y p e s o f
s t r a i n ; t h i s may a l s o a f f e c t c o r t i c a l bone s t r e n g t h (Boyde and R iggs
1 9 9 0; R iggs e t a l 1993a)*
I n p o l a r i s e d l i g h t , c o r t i c a l o r c a n c e l l o u s b o n e s h o w s a
c h a r a c t e r i s t i c a p p e a r a n c e , t h e l a m e l l a r p a t t e r n c a u s e d by a l t e r n a t i n g
o r i e n t a t i o n o f c o l l a g e n ( G e b h a r d t 1 9 0 5 f A s c e n z i a n d B o n n u c i 1 9 6 4 ,
1 9 6 7.1 9 6 8; Evans and V i n c e n t e l l i 1969. 1 9 7 4 ). The c o n c e n t r i c l a m e l l a e
w i t h i n t h e o s t e o n s c o n t a i n c o l l a g e n o f a s i m i l a r p a c k i n g d e n s i t y .
The f i b r e s l i e p a r a l l e l t o o n e a n o t h e r w i t h i n t h e p l a n e o f t h e
l a m e l l a e ( G e b h a r d t 1905; Boyde 1972; A s c e n z i and B o n n u c i 1 9 7 6 ; R e id
1 9 8 6) . S e v e r a l o t h e r s t u d i e s show ed t h a t t h e c o l l a g e n f i b r e s l i e
p a r a l l e l (J o n e s e t a l 1975; J o n e s and Boyde 1976b) b e i n g c o n f i n e d i n
dom ains (Boyde and H o b d e ll I9 6 9) .
T h i s p a t t e r n i s a b s e n t i n woven b o n e , w h ere c o l l a g e n f i b r i l s
a r e d i f f e r e n t l y o r g a n i s e d . Woven bone i s formed d u r i n g t h e f o r m a t i o n
o f p r i m a r y b o n e and i n some p a t h o l o g i c a l c o n d i t i o n s l i k e P a g e t s
d i s e a s e o f b o n e i n d i c a t i n g a s t a t e o f h i g h b o n e t u r n o v e r . I t a l s o
h a p p e n s i n b o n e a t c e r t a i n s t a g e s o f f l u o r i d e t r e a t m e n t , when an
i n i t i a l h i g h r a t e o f bo n e f o r m a t i o n i s a s s o c i a t e d w i t h i n a b i l i t y o f
t h e b o n e r e m o d e l l i n g u n i t t o e n s u r e p r o p e r l a m e l l a r a l i g n m e n t
( E r i k s e n e t a l 1 9 9 4 ) . D i f f e r e n t c o l l a g e n f i b r i l a r r a n g e m e n t
e v e n t u a l l y a f f e c t s t h e m e c h a n ic a l p r o p e r t i e s o f bo n e.
More l o n g i t u d i n a l l y o r i e n t e d f i b r e s e n h a n c e t e n s i l e s t r e n g t h
( M a r t i n and I s h i d a 1989; Boyde and R ig g s 1990; R ig g s e t a l 1 9 9 3 b ) .
H ig h e r c o m p re ss iv e s t r e n g t h h a s been a s s o c i a t e d w i t h bone c o n t a i n i n g
many o s t e o n s o f p r e d o m i n a n t l y o b l i q u e / t r a n s v e r s e c o l l a g e n f i b r e
o r i e n t a t i o n (E v an s e t a l 1 9 7 4 ; Boyde a n d R i g g s 1 9 9 0 ; R i g g s e t a l
1993b ) . T h ere i s e v i d e n c e t h a t t h i s h i s t o l o g i c a l f e a t u r e i s a d j u s t e d
t o o p t i m i z e b o n e s m a t e r i a l s t r e n g t h t o t h e l o c a l s t r e s s s i t u a t i o n
(A s c e n z i and Bonnuci I9 6 7. I9 6 8; Lanyon e t a l 1982; Boyde e t a l 1984a;
P o r t i g l i a t t i - B a r b o s e t a l I9 8 3. 1984, I9 8 7; Carando e t a l I9 8 9, 1991;
A s c e n z i e t a l 1990; Boyde and R iggs 1990; R ig g s e t a l 1 9 9 3 b ). T h e re i s
l i t t l e i n f o r m a t i o n a b o u t t h e e f f e c t s o f c o l l a g e n f i b r e o r i e n t a t i o n
and i t s a g e - r e l a t e d chan g e s i n c a n c e l l o u s b o n e.
H o w e v e r, t h e o r g a n i s a t i o n r e s p o n s i b l e f o r t h e l a m e l l a t i o n
w i t h i n th e o s t e o n s h a s been a m a t t e r o f c o n t r o v e r s y f o r a l o n g ti m e .
S e v e r a l w o r k e r s p r o p o s e d a n u m b e r o f m o d e l s o f c o l l a g e n f i b r e
o r i e n t a t i o n . U n t i l now, t h e m o st g e n e r a l l y a c c e p t e d m odel ( K o l l i k e r
1 8 8 9; Von E b n e r 1 8 7 5 Î G e b h a r d t 1905) s u g g e s t e d t h a t t h e l a m e l l a t i o n
i n p o l a r i s e d l i g h t i s due t o s u c c e s s i v e a l t e r n a t e l a m e l l a e o f more
t r a n s v e r s e and more l o n g i t u d i n a l f i b r e s : l a m e l l a e l y i n g on t h e p l a n e
o f s e c t i o n a p p e a r i n g b r i g h t b e t w e e n c r o s s e d p o l a r s w h i l e t h e
l o n g i t u d i n a l f i b r e s a r e c u t i n c r o s s s e c t i o n and a p p e a r d a r k i n TS.
O th e r s d e s c r i b e d d i f f e r i n g p a t t e r n s o f o r g a n i s a t i o n w i t h i n s u c c e s s i v e
l a m e l l a e ( R a n v i e r 1 8 8 9 ; Z i e g l e r I9O6; R u th 1 9 ^ 7 ; R o u i l l e r 1 9 5 6 ;
M a r o t t i and M uglia I9 8 8; M a r r o t t i 1990, 1993; Hasegawa 1 9 9 4 ).
E f f e c t o f m i n e r a l i s a t i o n i n bone
The m e c h a n ic a l i n t e g r i t y o f bone a l s o depends on i t s d e g r e e o f
m i n e r a l i s a t i o n . The s t i f f n e s s and b r i t t l e n e s s o f bo n e d e p e n d m a i n l y
on i t s m i n e r a l c o n t e n t ( C u rre y 1 9 6 9 a -b ; K atz e t a l 1 9 8 4 ). The d e g r e e
o f m i n e r a l i s a t i o n depends on t h e r a t e o f bone t u r n o v e r . Low t u r n o v e r
l e a d s t o h y p e r m i n e r a l i s a t i o n and t h e bo n e becom es more b r i t t l e and
s t i f f . I n c r e a s e d b r i t t l e n e s s o r s t i f f n e s s r e d u c e s b o n e q u a l i t y and
f a v o u r s f r a c t u r e . The m i n e r a l d e n s i t y o f l a m e l l a r b o n e i n c r e a s e s
w i t h age (J o n e s and Boyde 1994; Boyde e t a l 1993; R ig g s e t a l 1993a,
1993b; Boyde e t a l 1992; R e id and Boyde 1987; Grynpas 1993)* However,
woven b o n e m i n e r a l i z e s r a p i d l y , a n d c a l c i f i e d c a r t i l a g e i s t h e
d e n s e s t p h a s e i n bone (Boyde e t a l 1 9 9 2 ). With d i g i t a l b a c k s c a t t e r e d
e l e c t r o n im age a n a l y s i s Boyde e t a l (1 9 9 5 b ) f o u n d a l o w e r r a t e o f
bo n e r e n e w a l i n f e m a l e s and i n o s t e o a r t h r i t i s s u b j e c t s . D i f f e r e n c e
i n m i n e r a l c o n t e n t i n o l d and new bone on e i t h e r s i d e o f r e v e r s a l o r
r e s t i n g l i n e o f f e r s a p o t e n t i a l c l e a v a g e p l a n e w i t h i n t h e t i s s u e
(J o n e s and Boyde 1 9 9 4 ). Changes may be c o n f i n e d t o d i s c r e t e r e g i o n s o f
an i n d i v i d u a l bone, and s u c h ch a n g e s may have d r a m a t i c e f f e c t s on t h e
s t r e n g t h o f t h a t b o n e . G r e a t e r b o n e t u r n o v e r r e p l a c e s f a t i g u e
damaged bone w i t h new b o n e . T h i s a l s o p r e v e n t s h y p e r m i n e r a l i s a t i o n
and c o n s e q u e n t b r i t t l e n e s s found i n u n re m o d e lle d bone ( F r o s t 1 9 6 0 a ).
O s t e o c y t e d e a t h m a n i f e s t e d a s em pty l a c u n a e a f f e c t s t h e bone
q u a l i t y ( S c h n i t z e r e t a l 1990; Wong e t a l I9 8 5) . O s t e o c y t e s h a v e a
l i f e s p a n o f a b o u t 25 y e a r s ( P a r f i t t e t a l I9 8 7) . Empty l a c u n a e i n
r e m o d e l l i n g o f t h e t r a b e c u l a r c o r e f o r many y e a r s . I t may a l s o be
due t o i n a b i l i t y o f n u t r i e n t s t o r e a c h t h e c o r e o s t e o c y t e s from t h e
m arrow c a v i t y ( U r i s t e t a l 1 9 6 3 ) ' F o l l o w i n g o s t e o c y t e d e a t h , t h e
l a c u n a e a n d c a n a l i c u l a e b e c o m e c a l c i f i e d l e a d i n g t o i n c r e a s e d
h y p e r m i n e r a l i s a t i o n and b r i t t l e n e s s , a c o n d i t i o n te rm e d M i c r o p e t r o s i s
by F r o s t ( 1 9 6 0 a ) . H owever, u n r e m o d e l l e d , o l d e r b o n e i s i t s e l f more
m i n e r a l i s e d and h e n c e more b r i t t l e , i n d e p e n d e n t o f t h e p r e s e n c e o f
o s t e o c y t e s .
Bone a r c h i t e c t u r e
Bone s t r e n g t h d e t e r m i n e s t h e l o a d i n g c a p a c i t y o f any i n d i v i d u a l
bone w hich i n t u r n depen d s on c u m u la ti v e r e p r e s e n t a t i o n o f i t s m ass,
c o r t i c a l t h i c k n e s s , o r g a n i s a t i o n and on t r a b e c u l a r a r c h i t e c t u r e .
T r a b e c u l a r bone i s made up o f a s e r i e s o f i n t e r c o n n e c t e d p l a t e s o r
r o d s . C r o s s - s e c t i o n a l g e o m e t r y , t h e num ber, t h i c k n e s s , c o n n e c t i v i t y
and o r i e n t a t i o n o f t h e t r a b e c u l a e a r e e s s e n t i a l f o r t h e m a i n t e n a n c e
o f t h e f u n c t i o n a l s t a t u s o f w e ig h t b e a r i n g b o n e . I r r e g u l a r i t y o f t h e
t r a b e c u l a r l a t t i c e , e v e n i n t h e p r e s e n c e o f m a i n t a i n e d b o n e v o lu m e ,
weakens t h e t r a b e c u l a r b o n e.
G o l d s t e i n a n d c o - w o r k e r s (1 9 9 3 ) sho w e d t h a t i n human n o r m a l
t r a b e c u l a r b o n e ( m e t a p h y s e a l ) , more t h a n 80% o f t h e v a r i a n c e i n
m e c h a n i c a l b e h a v i o u r c a n b e e x p l a i n e d by m e a s u r e s o f d e n s i t y and
o r i e n t a t i o n . M in e r a l d e n s i t y , number o f t r a b e c u l a r p a c k e t s and t h e i r
v o l u m e , a n d c o l l a g e n m a t r i x d i s t r i b u t i o n a l s o d e t e r m i n e t h e
m e c h a n ic a l i n t e g r i t y o f t r a b e c u l a r bone.
A d a p t a t i o n o f bone t o i t s f u n c t i o n .
Bone a r c h i t e c t u r e an d i t s o r g a n i s a t i o n n e e d s t o b e a b l e t o
w i t h s t a n d s t r a i n s i n v a r i o u s d i r e c t i o n . T h i s i s e n s u r e d b y an
a d a p t i v e m o d e l l i n g and r e m o d e l l i n g p r o c e s s . W o l f f ' s Law s t a t e s t h a t
t h e s k e l e t o n a t t e m p t s t o a d a p t i t s s t r u c t u r e t o t h e l o a d i t
e x p e r i e n c e s . M e c h a n i c a l f a c t o r s s t i m u l a t e m o d e l l i n g r e s p o n s e s ,
p r i m a r i l y i n t h e form o f p e r i o s t e a l bone f o r m a t i o n , t h a t a l t e r bone
s i z e and s h a p e .
S t r a i n i n t h e a p p e n d i c u l a r s k e l e t o n i s m a i n l y d ue t o b e n d i n g
and t o r s i o n . P e r i o s t e a l grow th i n c r e a s e s t h e o u t e r d i a m e t e r o f b o n e.
