Diese Studie bewertet die Bruchzähigkeit von bovinen kortikalen Knochen auf Sub-Meso-Ebene mit mikroskopischen Kratztests. Dies ist ein original, Ziel, streng, und reproduzierbare Methode vorgeschlagen, Bruchzähigkeit unterhalb der makroskopischen Skala zu erforschen. Anwendungsmöglichkeiten sind Änderungen in Knochenbrüchigkeit aufgrund von Krankheiten wie Osteoporose studieren.
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Methodenartikel
Zerbrechlichkeit Bewertung der bovinen kortikalen Knochen mit Kratztests
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Knochen ist ein komplexes hierarchisches Material mit fünf verschiedenen Ebenen der Organisation. Faktoren wie Alterung und Krankheiten wie Osteoporose erhöhen die Fragilität der Knochen, so dass es anfällig für Frakturen. Aufgrund der großen sozio-ökonomischen Auswirkungen von Knochenbrüchen in unserer Gesellschaft gibt es eine Notwendigkeit für neuartige Möglichkeiten zur Beurteilung der mechanischen Leistung jeder Hierarchiestufe des Knochens. Obwohl Steifigkeit und Festigkeit auf allen Skalen – Nano-, Mikro-, Meso-, sondiert können und makroskopischen – Fraktur Bewertung bisher worden zu makroskopischen Prüfung beschränkt hat. Diese Einschränkung schränkt unser Verständnis von Knochenbrüchen und schränkt den Anwendungsbereich der Labor- und klinische Studien. In dieser Studie untersuchen wir die Bruchfestigkeit des Knochens aus der mikroskopischen auf der mesoskopischen Längenskalen mit Mikro Scratch-Tests kombiniert mit nichtlinearen Bruchmechanik. Die Tests sind in der kurzen längs Ausrichtung auf bovine Kortikalis Proben durchgeführt. Ein sorgfältige experimentelle Protokoll entwickelt und eine große Anzahl (102) von Tests werden durchgeführt, um die Bruchzähigkeit der Kortikalis Exemplare unter Berücksichtigung der Heterogenität zugeordnet Knochen Mikrostruktur zu beurteilen.
Einleitung
In dieser Studie messen wir die Bruchzähigkeit von Rindern kompakten Knochen aus der mesoskaligen (Osteons), Microscale (lamellare Ebene) über eine neuartige Mikro-Kratzer-Technik1,2,3,4, 5. Bruchvorgänge einschließlich Rissausbreitung Initiierung und Riss im Knochen sind Längenskalen aufgrund der unterschiedlichen strukturellen Bestandteile und Organisation auf verschiedenen Ebenen der Hierarchie direkt beeinflusst. Daher unbedingt Beurteilung Knochenbruch bei kleineren Längenskalen nachgeben ein grundlegendes Verständnis der Knochenbrüchigkeit. Auf der einen Seite konventionelle Prüfungen wie z. B. die drei-Punkt-Biegung, kompakte Spannung und Biegung Untersuchungen sind häufig auf bovine Femur und Tibia zur Charakterisierung der Fraktur im makroskopischen Maßstab6,7, 8. auf der anderen Seite um die Bruchzähigkeit auf der mikroskopischen Skala zu messen, Vickerss Einrückung Fraktur vorgeschlagene9war. Mikro Einzug erfolgte mittels der Vickers Eindringkörpers radiale Risse erzeugen. Darüber hinaus erfolgte die Oliver Pharr Nanoindentation Fraktur Zähigkeit Methode mittels eine scharfe Cube Ecke Eindringkörpers10.
In den oben genannten Nanoindentation basierte Fraktur Zähigkeit Studien die Längen der so erzeugten Risse wurden vom Beobachter gemessen und eine semi-empirische Modell wurde verwendet, um die Bruchzähigkeit berechnen. Aber diese Methoden sind nachvollziehbar, subjektiv, und die Ergebnisse sind stark abhängig von der Fähigkeit des Beobachters wegen der Notwendigkeit, die Riss-Längen mit optischen Mikroskopie oder Rasterelektronenmikroskopie messen. Darüber hinaus Scratch-Tests wurden durchgeführt im Nano-Maßstab, aber die zugrunde liegenden mathematischen Modells ist nicht Physik-basiertes wie es nicht die Verringerung der Stärke durch Risse berücksichtigt und11 Defekte. So existiert eine Wissenslücke: eine Methode zur Beurteilung der Fraktur auf mikroskopischer Ebene basierend auf einem Physik-basiertes mechanistischen Modell. Diese Wissenslücke motiviert die Anwendung von Mikro-Kratzer-Tests um Knochen zu komprimieren, indem Sie zuerst auf porcinen Exemplare5. Die Studie hat jetzt erweitert um bovinen kortikalen Knochen zu verstehen.
Zwei verschiedene Ausrichtungen der Exemplare sind möglich: längs-quer und kurzen längs. Längs-quer entspricht Eigenschaften senkrecht zur Längsachse des Femur Fraktur. In der Erwägung, kurze längs-entspricht der Fraktur Eigenschaften entlang der Längsachse des Femur-5. In dieser Studie wenden wir kratzen Tests an bovinen kortikalen Knochen Bruchfestigkeit der Knochen in Längsrichtung kurz zu charakterisieren.
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Protokoll
Hinweis: Die hier beschriebene Protokoll erfolgt nach den Richtlinien der Tierbetreuung des Illinois institutionelle Tier Pflege und Verwendung.
1. Probe Beschaffung
- Sammeln Sie frisch geerntete bovine Oberschenkelknochen von Vereinigte Staaten Abteilung des Landwirtschaftsministeriums USDA-zertifizierten Schlachthof und transportieren sie in Plastik luftdicht Taschen in einem Kühler.
Hinweis: Für die hier durchgeführten Studie wurden Oberschenkelknochen von Tieren gesammelt, die 24-30 Monate alt, Mais gefütterten und wog ca. 1.000 - 1.100 Pfund waren. - Einfrieren der Oberschenkelknochen am –20 ° C bis zum Beginn des Verfahrens Probe Vorbereitung. Diese Temperatur hält der Oberschenkelknochen frischen12,13,14.
(2) schneiden, Reinigung und Einbetten der Proben
- Die gefrorenen Oberschenkelknochen in einem Behälter mit Wasser für ca. 2 h bei Raumtemperatur auftauen.
- Schneiden Sie mehrere Scheiben ca. 10-15 mm dick, aus der Mitte Diaphyse Region mit einer Tabelle Top Diamant-Bandsäge, um Exemplare mit einheitlichen Querschnittsfläche des kortikalen Knochens zu produzieren.
- Verwenden Sie eine Dissektion Kit, um Weichgewebe oder Fleisch befestigt an der Kortikalis zu entfernen.
- Schnitt der Querschnitte der Oberschenkelknochen im Schritt 2.2 mit einer Diamant-wafering Klinge auf eine niedrige Drehzahl erreicht sah unter nassen Bedingungen entlang der Längsachse des Knochens, mehrere grob quaderförmigen Abschnitte zu erhalten.
Hinweis: Hier, nur Probenvorbereitung und Scratch-Tests durchgeführt auf dem kurzen – longitudinal Exemplare werden diskutiert. Außer für die Richtung des Schneidens bleibt jedoch die Vorbereitung-Verfahren für die transversale Ausrichtung gleich. - Reinigen Sie die Proben in einer Lösung bereit, mit 1,5 % anionischen Reiniger und 5 % Bleichmittel für eine Dauer von 20 Minuten in einem Ultraschallreiniger.
-
Betten Sie die Kortikalis Exemplare in Acrylharz (hierin Polymethyl Methacrylat (PMMA)) für eine einfache Handhabung und Stabilität.
- Um die Exemplare einzubetten, Mantel zuerst die Wände der Form mit Trennmittel. Dann mischen Sie Acryl Harz und härter in ein Becherglas, gemäß den Anweisungen des Herstellers der PMMA.
- Legen Sie eine der geschnittenen Kortikalis Exemplare in jeder Form mit der Oberfläche verkratzt werden nach unten. Gießen Sie die Mischung Acrylharz in diese Probenhalter vorbereitet. Lassen Sie die Proben für eine Dauer von bis zu 4-5 Std. zu heilen.
- Die eingebetteten Proben in 5 mm dicke Scheiben schneiden, aussetzen der Oberfläche verkratzt werden, mit der niedrigen Drehzahl sah und montieren Sie die Proben auf Metall (Aluminium)-Discs der Durchmesser 34 mm und Höhe 5 mm mit Cyanacrylat-Klebstoff.
- Die Exemplare in einem Messgerät in Hanks ausgewogen salzhaltige Lösung (HBSS) getränkten wickeln und im Kühlschrank bei 4 ° C bis zum weiteren Gebrauch15,16.
3. Schleifen und Polieren von Protokollen
Hinweis: Voraussetzung für die hochpräzise Tests bei kleinen Längenskalen ist eine glatte und Ebenen Oberfläche der Proben. Frühere Protokolle Polieren13,17 eine große Rauheit der Oberfläche, was zu erheblichen Ungenauigkeiten bei der Messung führen. Die Herausforderung liegt darin, niedrige durchschnittliche Rauheit der Oberfläche, weniger als 100 nm, über eine große Fläche 3 x 8 mm2 Fläche.
- Schleifen Sie die bovine Kortikalis Proben bei Raumtemperatur mit Körnung 400 und 600 Korn Siliciumcarbid Papiere für 1 min und 5 min, bzw.. Pflegen Sie der Schleifer-Polierer Basis Geschwindigkeiten von 100 u/min und 150 u/min, bzw..
- Maschine Schleifen die bovine Kortikalis Proben bei Raumtemperatur auf 800 und 1.200 Grit Papieren für eine Dauer von 15 min für jeden Schritt. Pflegen Sie den Schleifer-Polierer Basis Geschwindigkeit von 150 u/min, Geschwindigkeit von 60 u/min sind und die Last von 1 lb.
- Polieren der Proben mit 3 µm, 1 µm und 0,25 µm Diamant Fahrwerkslösungen in der gleichen Reihenfolge auf eine harte, perforierte, Vlies-Tuch für eine Dauer von 90 min bei Raumtemperatur. Pflegen Sie die Betriebslast für jeden Schritt bei 1 lb mit der Basis und Kopf Geschwindigkeiten von der Schleifer bei 300 u/min und 60 u/min, bzw..
- Polieren Sie die Probe mit 0,05 µm Aluminiumoxid Aussetzung-Lösung auf einem weichen, synthetischen Viskose-Tuch für eine Dauer von 90 min bei 1 lb mit base und Kopf Geschwindigkeit von 100 u/min und 60 u/min, bzw. auch bei Raumtemperatur.
- Setzen Sie die Proben in ein Becherglas mit deionisiertes Wasser und setzen Sie den Becher in ein Ultraschallbad für 2 min zwischen einzelnen aufeinander folgenden Schritte Schleifen und Polieren zur Reinigen des Rückstands und zur Vermeidung von Kreuzkontamination.
- Zeigen Sie die Oberflächen-Features mit optischen Mikroskopie und Imaging SEM an
Hinweis: Wie in Abbildung 1, Osteons, Haversschen Kanälen, Zement-Linien dargestellt, wurden interstitielle Regionen und Lücken auf die bovine Kortikalis Exemplare beobachtet. Diese bildgebenden Verfahren zeigen die poröse, heterogene und anisotrope Natur der Kortikalis Exemplare. Darüber hinaus wurde erweiterte Oberfläche Untersuchung der Proben durchgeführt, um die Qualität der polierten Oberfläche zu bewerten. Eine repräsentative polierte Oberfläche ist in Abbildung 2dargestellt.
4. Mikro Scratch-Test
Hinweis: Micro Scratch-Tests werden auf der polierten bovinen kortikalen Knochenproben mit einem Mikro-Scratch-Tester (Abbildung 3) durchgeführt. Die Studie dient ein Diamant Rockwell Eindringkörper mit einem Tip-Radius von 200 µm und Spitze Winkel von 120°. Das Gerät erlaubt die Anwendung der progressiven Linienlast bis zu 30 N. Darüber hinaus verfügt das Instrument über hochpräzise Sensoren zur Messung der Horizontallast, Eindringtiefe und akustische Emissionen, die durch Kratzen. Das Instrument kann die Panoramen der Kratzer Rillen erfassen.
- Vor der Prüfung der kortikalen Knochenproben Kalibrieren der Rockwell Eindringkörper Spitze mit Polycarbonat als Referenz Material3.
- Platzieren Sie die Kortikalis-Probe auf der Bühne und wählen Sie die Seite der Scratch-Test das optische Mikroskop integrierten Mikro-Scratch-Tester-Modul eingerichtet.
- Anwenden einer progressiven Linienlast mit einer Start-Belastung von 30 mN und Ende Last von 30 N. Die Raumbelastung sollte 60 N/min und die Kratzer Länge bis 3 mm betragen.
- Reihe von Scratch-Tests ausführen, auf kurze längs-(Abb. 3 b) bovine Kortikalis Exemplare wie in Abbildung 3dargestellt.
- Nass der Probenoberfläche mit HBSS nach einem Satz von jeder drei bis vier Kratztests zu halten hydratisiert.
- Analysieren Sie die Kratzer Testdaten basierend auf nicht-lineare Bruchmechanik Modellierung2.
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Ergebnisse
Rasterkraftmikroskopie wurde verwendet, um die Rauheit der polierten Oberfläche zu messen. Als Faustregel gilt qualifiziert das Exemplar als eine gut polierte, wenn die Rauheit der Oberfläche eine Größenordnung kleiner als die Oberflächen-Features von Interesse ist. In diesem Fall die gemessenen Oberflächenrauhigkeit von 60 nm 40 µm, 40 µm großflächig fällt eindeutig unter dieses Kriterium.
Abbildung 4
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Diskussion
Mikro Kratztests induzieren eine mixed-Mode-Fraktur-3. Darüber hinaus werden in den kurzen längs bovine Kortikalis Proben Bruchvorgänge aktiviert, wie die Sonde tiefer gräbt. Für einen 3 mm langen Kratzer ist der prismatischen Band sondiert rund 3.600 µm lang und 600 µm breite 480 µm Tiefe. Diese große Menge half bei der Vorhersage einer homogenisierten Antwort. Eine nicht-lineare Fraktur Mechanik Modell konnten wir extrahieren die Bruchfestigkeit, basierend auf der J-integrale Berechnung...
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Offenlegungen
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Danksagungen
Diese Arbeit wurde von der Abteilung für Zivil- und Umwelttechnik und College of Engineering an der University of Illinois in Urbana-Champaign unterstützt. Wir erkennen die Ravindra Kinra und Kavita Kinra Fellowship für die Unterstützung der graduate Studies der Kavya Mendu. Scanning Electron Microscopy Untersuchung erfolgte in den Einrichtungen des Frederick Seitz Material Research Laboratory und Beckman Institute an der University of Illinois at Urbana-Champaign.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Tischplatte Diamant Bandsäge | McMaster Carr, Elmhurst, IL | Modell C-40 | Klingengeschwindigkeit von 40 mph; Klingenabmessungen: 37 Zoll im Durchmesser, 0,02 Zoll breit und 0,14 Zoll tief |
| Buehler Isomet 5000 Präzisionsschneider | Buehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 112780 | Klingendrehzahl im Bereich von 200-5000 U/min in 50 U/min; 8-Zoll-Diamant-Wafering-Klinge |
| Branson 5800 Ultraschallreiniger | (Durch) Grainger, Peoria, Illinois | 39J365 | Bransonic CPXH Ultraschallbad hat eine Tankkapazität von 2,5 Gallonen |
| Buehler Ecomet 250 Schleifmaschine - Poliermaschine | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 497250 | 8 Zoll Grundplatte mit einem Drehzahlbereich von 10-500 U/min |
| Anton Paar, CSM Instruments Mikro-Kratztester | Anton Paar Switzerland AG | 163251 | Compact Platform, Acoutstic Emission Sensor |
| JEOL 6060LV Allzweck-Rasterelektronenmikroskop | JEOL USA, Inc., Peabody, MA | Rasterelektronenmikroskop für den Umweltbereich, das die Bildgebung im niedrigen Vakuum ermöglicht. | |
| Philips XL30 ESEM FEG | FEI Company | Der Nassmodus des Instruments ermöglicht die Abbildung von nichtleitenden Proben, ohne sie zu verändern. | |
| Name | Unternehmen | Katalognummer< | strong>Kommentare |
| Verbrauchsmaterialien | |||
| Rinder-Oberschenkelknochen | L& M Slaughter house, Georgetown, IL | Mit Mais gefütterte, 24-30 Monate alte reife Rinder | |
| Alconox Präzisionsreiniger in Pulverform | Alconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 10603 | 1104-1 | Biologisch abbaubarer, nicht ätzender, rückstandsfreier |
| Acryl-Kunststoff-Guss | Elektronenmikroskopie Sciences | 24210-02 | Polymethylmethacrylat-CarbiMet |
| SiC-Schleifpapier 400 Körnung, 8 Zoll, PSA-gestützter | Buehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 36080400 | Schleifen - Schleifmittel Papiere |
| CarbiMet SiC Schleifpapier 600 Körnung, 8 Zoll, PSA-Rückseite | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 36080600 | Schleifen - Schleifpapiere |
| MicroCut Scheiben 800 Körnung, 8 Zoll, PSA Rückseite | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 36080800 | Schleifen - Schleifpapiere |
| MicroCut Scheiben 800 Körnung, 8 Zoll, PSA Rückseite | Buehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 16081200 | Schleifen - Schleifpapiere |
| Texmet P für 8'' Scheibe PSA | Buehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 407638 | Poliertuch |
| 8'' Mikrotuch PSA | Buehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 407518 | Poliertuch |
| Meta Di Supreme polykristalline Diamantsuspension, 3 & Mikro; m | Buehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 406631 | Poliersuspension |
| Meta Di Supreme Polykristalline Diamantsuspension, 1 & Mikro; m | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 406630 | Poliersuspension |
| Meta Di Supreme Polykristalline Diamantsuspension, 0,25 &Mikro; m | Buehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 406629 | Poliersuspension |
| MasterPrep Poliersuspension, 0,05µ m | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 40-6377-032 | Poliersuspension |
| HBSS, Calcium, Magnesium, kein Phenolrot | Thermo Fisher Scientific | 14025126 | Pufferlösung |
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