Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

הערכה השבריריות של שור קליפת העצם שקצרנו באמצעות בדיקות שריטה

Published: November 30, 2017 doi: 10.3791/56488
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2
1Department of Civil and Environmental Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign, 2Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign

Summary

מחקר זה מעריך שבר הקשיחות של שור קליפת העצם שקצרנו ברמות תת-meso באמצעות בדיקות שריטה מיקרוסקופיים. . זה מקורי, מטרה, קפדני, והציע שיטה לשחזור לחקור שבר קשיחות להלן הסולם מאקרוסקופית. יישומים אפשריים לומדים שינויים בתוך העצמות השבריריות עקב מחלות כמו אוסטיאופורוזיס.

Abstract

העצם הוא חומר הירארכי מורכבים עם חמש רמות שונות של הארגון. גורמים כמו הזדקנות ומחלות כמו אוסטיאופורוזיס להגדיל את השבריריות של העצם, שהופך אותו שבר מועדת. בשל ההשפעה הסוציו-אקונומי גדול של שבר בחברה שלנו, יש צורך עבור הרומן דרכים להעריך את ביצועי מכני של כל רמה היררכית של העצם. למרות קשיות וחוזק פתור-סולמות כל-ננו, מיקרו, meso-, מאקרוסקופית – הערכת שבר כה מרותק בדיקה מאקרוסקופית. מגבלה זו מגבילה את ההבנה שלנו של שבר, מגבילה את היקף מעבדה ומחקרים קליניים. במחקר הזה, אנחנו חוקרים את ההתנגדות שבר של עצם מיקרוסקופיים כדי המאזניים אורך mesoscopic באמצעות מיקרו בדיקות שריטה בשילוב עם מכניקת השבר לא-ליניאריות. הבדיקות מבוצעות בכיוון האורך קצר על שור קליפת העצם שקצרנו דגימות. פרוטוקול נסיוני מוקפד מפותחת, מספר גדול (102) של הבדיקות נערכות כדי להעריך את הקשיחות שבר של עצם קורטיקלית דגימות תוך לדעה הטרוגניות המשויך עצם מיקרו.

Introduction

במחקר זה, אנו מודדים את הקשיחות שבר של עצם קומפקטית שור mesoscale (osteons) כדי microscale (מחליפי רמה) באמצעות הרומן טכניקה מאפס מיקרו1,2,3,4, 5. תהליכי שבר כולל הפצת החניכה, קראק קראק בתוך עצם מושפעים ישירות פיסיקליות בשל המרכיבים המבניים השונים של הארגון ברמות שונות של ההיררכיה. לכן, הערכת שבר-פיסיקליות קטן יותר הוא חיוני מניב הבנה בסיסי של העצמות השבריריות. מצד אחד, בחינות קונבנציונאלי השלשה כיפוף, קומפקטית מתח, flexure הבדיקות נערכות בדרך כלל על עצם הירך שור, שוקה עבור אפיון שבר סולם מאקרוסקופית6,7, 8. מצד שני, כדי למדוד את הקשיחות שבר את המשקל מיקרוסקופיים, שבר כניסה של Vicker היה המוצע9. כניסה מיקרו בוצעה באמצעות indenter של Vicker כדי להפיק החריצים הרדיאלים. יתר על כן, שיטת קשיחות אוליבר פארס שבר nanoindentation בוצעה באמצעות קוביית חדה לפינה indenter10.

במחקרים לעיל nanoindentation המבוסס על שבר קשיחות, אורך הסדקים וכך נוצר נמדדו על ידי המתבונן, מודל ויצאקר שימש כדי לחשב את הקשיחות שבר. עם זאת, שיטות אלה הן irreproducible, סובייקטיבי, התוצאות הן תלויות במידה רבה מיומנות של הצופה בשל הצורך למדוד את אורך הסדק באמצעות מיקרוסקופ אופטי או מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. יתר על כן, שריטה הבדיקות נערכו ברמת הנאנו-, אך המודל המתמטי המשמש כבסיס אינו מבוסס פיזיקה כפי שהוא אינו חשבון להקטנת כוח עקב סדקים פגמים11. לפיכך, קיים פער הידע: שיטה להערכת שבר ברמה המיקרוסקופית מבוסס על מודל מכניסטית פיזיקה מבוסס. את הפער הזה של ידע שהניעו את היישום של בדיקות שריטה מיקרו קומפקטי העצם על ידי התמקדות תחילה דגימות חזירי5. המחקר עכשיו הוארך עוד יותר להבין את עצם קורטיקלית שור.

שתי נטיות שונות של דגימות אפשריים: רוחבי האורך וקצר האורך. רוחבי האורך מקביל שבר מאפיינים בניצב לציר האורך של עצם הירך. הואיל קצר האורך המתאים למאפיינים שבר לאורך ציר האורך של עצם הירך5. במחקר זה, אנו מיישמים בדיקות טיוטה לעצמות קורטיקלית שור לאפיון התנגדות שבר של העצם בכיוון האורך קצר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הערה: הפרוטוקול המתואר כאן, מנחים את טיפול בבעלי חיים של אילינוי מוסדיים חיה הדאגה שימוש הוועדה.

1. דגימה רכש

  1. לאסוף עצמות הירך שור שנקטפו זה עתה ארצות הברית מחלקת החקלאות-מוסמך בית מטבחיים ולהעביר אותם בשקיות פלסטיק אוויר חזק בתוך צידנית.
    הערה: לצורך המחקר שנערך כאן, עצמות הירך נאספו מחיות שהיו 24-30 חודשים זקן, איך קראו לו, שנשקל כ- 1000 - 1100 ק ג.
  2. להקפיא את עצמות הירך ב- –20 ° C עד תחילת ההליך הכנה הדגימה. טמפרטורה זו שומרת את עצמות הירך טריים12,13,14.

2. חיתוך, ניקוי, הטבעה דגימות

  1. להפשיר את עצמות הירך קפוא במיכל עם מים במשך כ 2 h בטמפרטורת החדר.
  2. חותכים מרובות דיסקים בערך 10-15 מ"מ עובי מאזור diaphysis אמצע בעזרת הלהקה יהלום העליון ודוקטור לייצר דגימות בשטח חתך אחיד של עצם קורטיקלית.
  3. להשתמש ערכת לנתיחה כדי להסיר כל רקמות רכות או בשר המצורפת עצם קורטיקלית.
  4. גזור חתכי רוחב של עצמות הירך שהושג בשלב 2.2 בעזרת סכין יהלום-wafering על מהירות נמוכה ראיתי בתנאים רטובים לאורך ציר האורך של העצם כדי לקבל מספר מקטעים cuboidal בערך.
    הערה: כאן, רק הכנה הדגימה, שריטה ניסויי על הקצר – דגימות האורך הנדונים. עם זאת, מלבד הכיוון של חיתוך, בהליך הכנה נשאר זהה עבור כיוון הדפסה לרוחב.
  5. לנקות את דגימות פתרון המוכנים 1.5% anionic מנקה, אקונומיקה 5% עבור משך זמן של 20 דקות בניקוי אולטראסוני.
  6. להטביע את דגימות קליפת העצם שקצרנו שרף אקרילי (בזאת polymethyl methacrylate (PMMA)) כדי להקל על שליטה ויציבות.
    1. כדי להטביע את דגימות, תחילה מעיל הקירות של העובש עם סוכן שחרור. ואז מערבבים את שרף אקרילי ואת במינראליים בגביע, לפי ההוראות שניתנו על ידי היצרן PMMA.
    2. מניחים אחד מהדוגמאות לחתוך עצם קורטיקלית כל עובש עם השטח כדי להתגרד פונה כלפי מטה. יוצקים את תערובת שרף אקרילי הללו מוכנים מחזיקי הדגימה. לתת דגימות תרופה עבור משך זמן של עד 4-5 שעות.
  7. לחתוך את דגימות מוטבע לתוך דיסקים בעובי 5 מ מ, חשיפת פני השטח כדי להיות שרוט, באמצעות המהירות נמוכה ראה והר דגימות על מתכת (אלומיניום) דיסקים של קוטר 34 מ מ, גובה 5 מ מ בעזרת דבק מגע דבק.
  8. עוטף את דגימות לאמוד ספוג ב הנקס מאוזנת מלוחים פתרון (HBSS), ומעבירים ב 4 ° C עד נוסף לשימוש15,16.

3. השחזה וליטוש פרוטוקולים

הערה: מהווה דרישה מוקדמת דיוק גבוהה בדיקות-פיסיקליות קטן הוא משטח חלק, המכוון של דגימות. הקודם ליטוש פרוטוקולים13,17 לגרום חספוס פני שטח גדול, שמוביל ניכר חוסר דיוק במדידה. האתגר טמון להשגת נמוך הממוצע חספוס בפני השטח, פחות מ- 100 ננומטר, על פני שטח גדול 3 x 8 מ מ2 משטח.

  1. לטחון את דגימות שור קליפת העצם שקצרנו בטמפרטורת החדר באמצעות 400 חצץ וניירות 600 חצץ סיליקון קרביד 1 דקות, 5 דקות, בהתאמה. לשמור על מטחנת-לטש במהירויות הבסיס של 100 סל"ד ו- 150 סל ד, בהתאמה.
  2. מכונת לטחון את דגימות שור קליפת העצם שקצרנו בטמפרטורת החדר בכותרות העיתונים חצץ 800 ל 1200 עבור משך זמן של 15 דקות עבור כל שלב. לשמור על מטחנת-לטש במהירות הבסיס של 150 סל ד, ראש מהירות של 60 סל ד, והפעלת עומס של 1 ק ג.
  3. פולנית דגימות באמצעות מיקרומטר 3, 1 מיקרומטר ופתרונות 0.25 מיקרומטר יהלום ההשעיה באותו סדר על בד קשה, מחורר, ארוגים עבור משך זמן של 90 דקות כל בטמפרטורת החדר. שמור על העומס הפעלה עבור כל שלב ב- £ 1 עם מהירויות הבסיס הראשי של מלטש ב 300 סל ד ו 60 סל ד, בהתאמה.
  4. פולנית הדגימה באמצעות מיקרומטר 0.05 אלומינה השעיית פתרון על מטלית רכה, סינתטי זהורית עבור משך זמן של 90 דקות ב- 1 ק ג עם הבסיס ואת הראש מהירות של 100 סל"ד ו- 60 סל ד, בהתאמה, גם בטמפרטורת החדר.
  5. הכניסו את דגימות גביע עם מים מיוננים ולשים את הספל באמבט אולטרא למשך 2 דקות בין כל שלב רצופים של השחזה וליטוש כדי לנקות את השאריות ולמנוע זיהום לחצות.
  6. להציג את תכונות פני השטח באמצעות מיקרוסקופ אופטי והדמיה SEM.
    הערה: כפי שמוצג באיור 1, osteons, תעלות הברס, מלט קווים, אזורים אינטרסטיציאליות, ולקונות נצפו על דגימות שור קליפת העצם שקצרנו. שיטות הדמיה אלה חושפים הטבע נקבובי, הטרוגניות, אניסוטרופי של קליפת העצם שקצרנו דגימות. בנוסף, משטח מתקדם בחינת דגימות בוצעה כדי להעריך את טיב פני השטח מלוטש. משטח מלוטש נציג מוצג באיור2.

4. מיקרו מבחן שריטה

הערה: מיקרו שריטה בדיקות מבוצעות על דגימות עצם קורטיקלית שור מלוטשת באמצעות כבודק מאפס מיקרו (איור 3). יהלום רוקוול indenter עם רדיוס עצה של מיקרומטר 200 וזווית פיסגה של 120° משמש לצורך המחקר. המכשיר מאפשר היישום של עומס הדרגתית ליניארית עד 30 ש יתר על כן, המכשיר מצויד עם חיישנים דיוק גבוהה כדי למדוד את עומס אופקי עומק החדירה, אקוסטית פליטת שנוצר עקב גירוד. המכשיר ניתן ללכוד את פנורמות של חריצים מאפס.

  1. לפני בדיקה של קליפת העצם שקצרנו דגימות, לכייל את הטיפ indenter רוקוול באמצעות פוליקרבונט כמו גשמי הפניה3.
  2. מקם את הדגימה קליפת העצם שקצרנו על הבמה ובחרו האתר של מבחן שריטה באמצעות מיקרוסקופ אופטי להגדיר משולב במודול מיקרו הבוחן מאפס.
  3. החל עומס הדרגתית ליניארי עם עומס התחלה של 30 עומס mN ו- end של 30 ש יש להגדיר את קצב הטעינה N 60/min, האורך מאפס עד 3 מ מ.
  4. לבצע סדרה של בדיקות לגרד קצר האורך (איור 3b) דגימות שור קליפת העצם שקצרנו כמופיע באיור3.
  5. רטוב המשטח הדגימה HBSS לאחר סט של בדיקות שריטה כל שלושה-ארבעה לשמור אותם להתייבש.
  6. לנתח את הנתונים שריטה מבחן המבוסס על מכניקת השבר לא לינאריות דגמי2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

מיקרוסקופ כוח אטומי שימש כדי למדוד את החספוס של פני השטח מלוטש. כלל אצבע, הדגימה נחשב אחד שחדריהם אם חספוס פני השטח היא בסדר גודל קטן יותר תכונות פני השטח של ריבית. במקרה זה, חספוס פני השטח נמדד של 60 ננומטר על פני שטח מיקרומטר 40 µm x 40 בבירור נופל בתוך קריטריון זה.

איור 4 מראה הכוח נגד חדירה לעומק גרפים של נציג בדיקות שריטה על הדגימה קצר האורך שור קליפת העצם שקצרנו. בעוד הכוח האנכי הוא עומס מצטבר לפי מרשם, הכוח האופקי הוא ההתנגדות נמדד מנוסים על ידי המכשיר. איור 5 מראה את התמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה של המשטח שבורה קצר האורך שור קליפת העצם שקצרנו. תמונה זו מציגה סתתים, מתקלף של פני השטח, מופע של מנגנוני הצפדה מהותי כגון מיקרו סדיקה, לפצח סטיה, לפצח גישור. ניתוח המידע מיקרו שריטה הבדיקה באמצעות קבצי script MATLAB מבוסס על מכניקת השבר לא לינאריות דגמי2. לקראת המופע של תהליך שבר, יהיו פיזור פלסטיק18. עומק חדירה גודלת, תהליכי שבר מופעלות.

על סמך התבוננות מיקרוסקופית, אנו רואים סדק אחד הפצת כפי שמוצג באיור 3b. אנחנו לבנות שבר לא לינארית מכניקה דגם1,2 כדי לחזות את קנה המידה של הכוח מאפס. מיקרו איזוטרופיות רוחבי הומוגנית נחשב עצם קורטיקלית ברמת רקמות. איור 6 מראה את הכוח קנה המידה של קשיחות שבר מהדוגמאות קצר האורך עצם קורטיקלית. מעבר רקיע הפריך הוא הציג על ידי שינוי עומק החדירה. המשטר שביר, מונחה-שבר, הכוח מאפס Equation 1 הוא יחסי לכמות Equation 2 , איפה Equation 3 הוא המכשיר צורת פונקציה1,2,3,4, 5. לכן, שבר קשיחות, Equation 4 1,2,3,4,5 . יתמקד בכיוון קבוע. יתר על כן, ערך Kc המתאים שבר פריך הוא דיווח למשטרה שינוי גודל מגרש עבור מבחן יחיד, כפי שמוצג באיור 6. 102-מיקרו שריטה הבדיקות נערכו על דגימות קצר האורך שור קליפת העצם שקצרנו כפי שמוצג באיור 7. חריג חשוד טעות מבחנים מקבילים דגימות אשר נבדקו אחרי שבוע של הכנת ואחסון בתוך תמיסת מלח. אחסון הדגימה עבור משך זמן ארוך מאוד שינו את פני השטח בשל היווצרות precipitate של תמיסת מלח מובילים לערכים קשיחות שונות שבר. הערך הכולל של קשיחות שבר שהושג הוא 4.05±0.63 MPaEquation 5. בספרות דווח שבר ערכי הקשיחות בטווח של 2.5 עד 5.5 MPaEquation 56,8. תוצאות אלו מראות שהערכים קשיחות שבר דיווחו על הבדיקות שריטה מיקרו הם בהתאם לספרות.

Figure 1
איור 1: גרף המציג הירארכי רמות שונות של דגימות העצם ועל החקירות ניסיוני שנערך בכל רמה. הציר האופקי תואם הסולם אורך החל macroscale וכלה ננו, הציר האנכי מקביל סרגל זמן שבו נערכים הניסויים המתאים בכל רמה. (התמונה האשראי: Kavya Mendu). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: תמונות דיגיטלי של דיסקים (א) אלומיניום המשמש כבסיס עבור דגימות ו- (ב) היטב קצר האורך עצם מלוטשת הדגימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: מיקרו לגרד כשהילדים צילום דיגיטלי של הבדיקה שריטה מיקרו על הדגימה שור קליפת העצם שקצרנו (A). בדיקה רוקוול יש זווית פיסגה של 120o חיטוט הדגימה קליפת העצם שקצרנו מוטבע Polymethyl Methacrylate. תיאור סכמטי של בדיקה מאפס החריש החומר עצם מראה כניסתו של מצב מעורב של שבר דגימה קצרה האורך (B) . (קרדיטים: אנג-תרז Akono Kataruka אמריטה, Kavya Mendu). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: גירוד החריץ. תמונת מיקרוסקופ אופטי של מלון פנורמה של החריץ מאפס (A). (B) עלילה המתאימה של הכוח לעומת עומק לאורך החריץ מאפס. כוח אופקי תואם לכוח חיכוך resistive שזיהה את. החיישנים השלב מיקרו הבוחן מאפס, הכוח אנכי מקביל הכוח לינארית מתקדמת המוחלת על גבי הדגימה קליפת העצם שקצרנו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: סריקת תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM). תמונות SEM של השריטה groove מציג מנגנונים מיקרו כמו קראק סטיה, קראק גישור, גישור סיבים ו סתתים ברמות שונות ההגדלה (א) 40 X (B) 10,000 X (ג) 2,400 X (ד) 5, 000 X. שנלכדה באמצעות שואב האבק נמוכה לסרוק בעזרת מיקרוסקופ אלקטרון פרדריק זייץ חומר מדעי מעבדה או מכון בקמן, אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: לשרוט בכוח ותמונה מאפס מיקרו- (א) שינוי קנה מידה של כוח מאפס לאורכו של השריטה מראה ההתכנסות של שבר קשיחות. Equation 1 הוא הכוח האופקי ו Equation 3 היא פונקציית צורת בדיקה שתלויה גאומטריה, חדירה לעומק. (B) תמונת מיקרוסקופ אופטי פנורמי שריטה מיקרו על עצם שור בכיוון האורך קצר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7: שבר קשיחות. מגרש מציג השבר ערכי הקשיחות של הבדיקות שריטה מיקרו 102 שנערכו על דגימות האורך קצר בשתל קליפת העצם שקצרנו שור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בדיקות שריטה מיקרו לגרום מצב מעורב שבר3. יתר על כן, בדגימות האורך קצר בשתל קליפת העצם שקצרנו שור, תהליכי שבר מופעלים כמו החללית חופרת עמוק יותר. עבור שריטה ארוכה 3 מ מ, האחסון מנסרתיים שנבדק הוא בסביבות 3600 מיקרומטר ארוך, רחב 600 מיקרומטר ו 480 מיקרומטר עמוק. אחסון גדול זה עזר בחיזוי לתגובה homogenized. מודל מכניקת שבר שאינו ליניארי אפשרו לנו לחלץ את ההתנגדות שבר על סמך את J-חישוב נפרד-1,-2,-4.

שור קליפת העצם שקצרנו דגימות לספק שטח גדול יותר לבדיקה לעומת דגימות חזירי אשר שימשו את הפרסום לפני5. עם זאת, ישנו הבדל המתאימים בגודל של מיקרו תכונות של חזירי כדי שור קליפת העצם שקצרנו דגימות. זה הוביל להתפתחות של ליטוש פרוטוקול חדש עבור דגימות שור. יתר על כן, במהלך הפיתוח של השיטה, זה היה ציין כי דגימות מוכן שור קליפת העצם שקצרנו צריך להיבדק תוך שבוע לאחר ההכנה. הדבר נועד למנוע היווצרות משקעים על דגימות שור עקב תמיסת מלח, דבר שעשוי להשפיע באופן דרסטי על תוצאות הבדיקה.

בנוסף, הבדיקות שנערכו על דגימות קצר האורך שור קליפת העצם שקצרנו היה נשלט תנאים סביבתיים, סטנדרטית הדגימה הכנת פרוטוקולים. זה הוביל לירידה בההשתנות של תוצאות הבדיקה % 23 שדווחה בעבר עבור דגימות האורך קצר בשתל קליפת העצם שקצרנו חזירי5 עד 15% עבור דגימות קצר האורך שור קליפת העצם שקצרנו במחקר זה. עם זאת, ב- איור 7, תוצאות הבדיקה חריג חשוד טעות ניתן לייחס סיבות שונות כמו משך האחסון במים מלוחים או המיקום של השריטה עצמה. למרות זאת, בהתחשב בכך עצם היא הטרוגנית meso - ו מיקרוסקופיים-פיסיקליות, צפוי כמות מסוימת של השתנות.

מיקרוסקופ אלקטרונים סורק מציג את השכיחות של תהליכי שבר במהלך בדיקות אלו שריטות. הצפדה מנגנונים כגון מיקרו לפצח את המשקל meso, לפצח סטיה לפצח גישור-microscale וגישור סיבים את המשקל תת מיקרון נצפו (ראה איור 5). זה תואם המנגנונים הצפדה דיווח מוקדם יותר הספרות19. לכן, בדיקות שריטה מיקרו לקבוע את המאפיינים שבר של עצם קורטיקלית שור דגימות מן הסולם meso סולם מיקרו.

השיטה שבה אנו מציעים כאן דורש מספר קטן של דגימות ומאפשר בדיקה של דגימות-פיסיקליות קטנים יותר. למשל, המעבר רקיע כדי שביר הוא הציג את המשקל מאקרוסקופית על-ידי עבודה עם דגימות בגדלים שונים תוך יחס גובה-רוחב קבוע. על פי גודל האפקט שבר הערכת הטכניקה, נדרשים לפחות 5 פרטים בגדלים שונים מעריכים20,21ערך קשיחות שבר. לפיכך, כדי להעריך שבר 102 קשיחות ערכי, מאקרוסקופית בדיקות צריך דגימות בסביבות 510 שיכלול הרבה זמן ומשאבים. לכן, בשיטה זו שאנו מציעים הערכות קשיחות שבר בקצב מהיר יותר, חסכוני יותר. יתר על כן, הבנת את מאפייני שבר ברמות שונות הירארכי מאפשרת לנו להבין את המכניקה של העצם בצורה יעילה יותר. בנוסף, בדיקה יעילה, לשחזור, יכול בקלות להתבצע תחת מגוון רחב של בקרת האקלים. למשל, בדיקות דגימות שקוע בתמיסת בתא הסביבה עשויים להתבצע כדי לדמות את התנאים במבחנה . בנוסף, השיטה גם יוחלו על מבחן הקשיחות שבר עצם בכיוון רוחבי האורך כדי ללכוד. בנוגע למקורו של העצם. לכן, השיטה שלנו הוא שרומן אומר להערכה שבר של רקמות ביולוגיות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי המחלקה של האזרחים, הנדסה סביבתית, המכללה האקדמית להנדסה-אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין. אנו להכיר את Kinra רבינדרה ואחווה Kinra משגכ שלףכחףגלכ לתמיכה את הלימודים לתואר שני של Kavya Mendu. סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים החקירה בוצעה במתקנים של פרדריק זייץ חומר במעבדת המחקר, מכון בקמן אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Table Top Diamond Band Saw McMaster Carr, Elmhurst, IL Model  C-40 Blade speed of 40 mph; Blade dimensions: 37 inch in diameter, 0.02 inch wide and 0.14 inch deep
Buehler Isomet 5000 Precision Cutter Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 112780 Blade speed in the range of 200-5000 rpm in 50 rpm incrments; 8 inch diamond wafering blade
Branson 5800 Ultrasonic Cleanser (Through) Grainger, Peoria, Illinois 39J365 Bransonic CPXH ultrasonic bath has a tank capacity of 2.5 gal
Buehler Ecomet 250 Grinder - Polisher Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 497250 8 inch base plate with a speed range from 10-500 rpm
Anton Paar, CSM Instruments Micro scratch tester Anton Paar Switzerland AG 163251 Compact Platform, Acoutstic Emission Sensor
JEOL 6060LV general purpose scanning electron microscope JEOL USA, Inc., Peabody, MA Environmental scanning electron microscope which enables imaging at low vacuum levels.
Philips XL30 ESEM FEG  FEI Company Wet mode working of the instrument enables imaging of non conductive samples without altering them 
Name Company Catalog Number Comments
Consumables
Bovine Femur L&M Slaughter house, Georgetown, IL Corn fed, 24-30 month old mature bovine specimens.
Alconox Powdered Precision Cleaner Alconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 10603 1104-1 Biodegradable, Non caustic, Interfering-residue free
Acrylic Plastic Casting Electron Microscopy Sciences 24210-02 Polymethyl Methacrylate
CarbiMet SiC Abrasive Paper 400 grit, 8 inch, PSA backed Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 36080400 Grinding - Abrasive Papers
CarbiMet SiC Abrasive Paper 600 grit, 8 inch, PSA backed Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 36080600 Grinding - Abrasive Papers
MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backed Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 36080800 Grinding - Abrasive Papers
MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backed Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 16081200 Grinding - Abrasive Papers
Texmet P For 8'' Wheel PSA Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 407638 Polishing Cloth
8'' Microcloth PSA Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 407518 Polishing Cloth
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 3 µm Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 406631 Polishing suspension
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 1 µm Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 406630 Polishing suspension
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 0.25 µm Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 406629 Polishing suspension
MasterPrep Polishing Suspension, 0.05µm Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 40-6377-032 Polishing suspension
HBSS, calcium, magnesium, no phenol red Thermo Fisher Scientific 14025126 Buffer Solution

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Akono, A., Reis, P., Ulm, F. Scratching as a fracture process: From butter to steel. Phys Rev Lett. 106 (20), 204302-204304 (2011).
  2. Akono, A. T., Randall, N. X., Ulm, F. J. Experimental determination of the fracture toughness via microscratch tests: application to polymers, ceramics, and metals. J of Mat Res. 27 (02), 485-493 (2012).
  3. Akono, A. T., Ulm, F. J. An improved technique for characterizing the fracture toughness via scratch test experiments. Wear. 313 (1-2), (2014).
  4. Akono, A. T. Energetic size effect law at the microscopic scale: Application to progressive-load scratch testing. J of Nanomech and Micromech. 6 (2), (2016).
  5. Kataruka, A., Mendu, K., Okeoghene, O., Puthuvelil, J., Akono, A. -T. Microscopic assessment of bone toughness using scratch tests. Bone Reports. 6, 17-25 (2017).
  6. Melvin, J. W., Evans, F. G. Crack propagation in bone. ASME Biomech Symp. , New York. (1973).
  7. Norman, T. L., Vashishth, D., Burr, D. B. Effect of groove on bone fracture toughness. J of Biomech. 25 (12), 1489-1492 (1992).
  8. Behiri, J. C., Bonfield, W. Crack velocity dependence of longitudinal fracture in bone. J of Mat Sc. 15 (7), 1841-1849 (1980).
  9. Mullins, L. P., Bruzzi, M. S., McHugh, P. E. Measurement of the microstructural fracture toughness of cortical bone using indentation fracture. J of Biomech. 40 (14), 3285-3288 (2007).
  10. Harding, D. S., Oliver, W. C., Pharr, G. M. Cracking during nanoindentation and its use in the measurement of fracture toughness. MRS Proceedings. 356, Cambridge University Press. 663-668 (1994).
  11. Islam, A., Dong, X. N., Wang, X. Mechanistic modeling of a nanoscratch test for determination of in situ toughness of bone. J of the Mech Bhvr of Biomed Mat. 5 (1), 156-164 (2012).
  12. McAlden, R. W., McGeogh, J. A., Barker, M. B., Court-Brown, C. M. Age-related changes in the tensile properties of cortical bone: the relative importance of changes in porosity, mineralization and microstructure. J. Bone Joint Surg. 75, 1193-1205 (1993).
  13. Zioupos, P., Gresle, M., Winwood, K. Fatigue strength of human cortical bone: age, physical, and material heterogeneity effects. J of Biomed Mat Res Part A. 86 (3), 627-636 (2008).
  14. Linde, F., Sørensen, H. C. F. The effect of different storage methods on the mechanical properties of trabecular bone. J of Biomech. 26 (10), 1249-1252 (1993).
  15. Zioupos, P. Accumulation of in-vivo fatigue microdamage and its relation to biomechanical properties in ageing human cortical bone. J of Microscopy. 201 (2), 270-278 (2001).
  16. Yan, J., Clifton, K. B., Mecholsky, J. J., Reep, R. L. Fracture toughness of manatee rib and bovine femur using a chevron-notched beam test. J of Biomech. 39 (6), 1066-1074 (2006).
  17. Xu, J., Rho, J. Y., Mishra, S. R., Fan, Z. Atomic force microscopy and nanoindentation characterization of human lamellar bone prepared by microtome sectioning and mechanical polishing technique. J of Biomed Mat ResPart A. 67 (3), 719-726 (2003).
  18. Yan, J., Mecholsky, J. J., Clifton, K. B. How tough is bone? Application of elastic–plastic fracture mechanics to bone. Bone. 40 (2), 479-484 (2007).
  19. Ritchie, R. O. The conflicts between strength and toughness. Nat Mater. 10 (11), 817-822 (2011).
  20. Kim, K. T., Bažant, Z. P., Yu, Q. Non-uniqueness of cohesive-crack stress-separation law of human and bovine bones and remedy by size effect tests. Intrnl J of Frac. 181 (1), 67-81 (2013).
  21. Bazant, Z. P., Planas, J. Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. 16, CRC press. (1997).

Tags

העצם שקצרנו בביו-הנדסה גיליון 129 דגימות שור טכניקה מיקרו מאפס שבר קנה המידה אוסטאופורוזיס שבר קשיחות
הערכה השבריריות של שור קליפת העצם שקצרנו באמצעות בדיקות שריטה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mendu, K., Kataruka, A., Puthuvelil, … More

Mendu, K., Kataruka, A., Puthuvelil, J., Akono, A. T. Fragility Assessment of Bovine Cortical Bone Using Scratch Tests. J. Vis. Exp. (129), e56488, doi:10.3791/56488 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter