A Sectioning, Coring, and Image Processing Guide for High-Throughput Cortical Bone Sample Procurement and Analysis for Synchrotron Micro-CT

Summary

Wir verwendeten ein geologisches (Coring) Probenahmeprotokoll, um kortikale Knochenproben von einheitlicher Größe für SR-CT-Experimente aus dem vorderen Aspekt der menschlichen Femora zu beschaffen. Diese Methode ist minimal destruktiv, effizient, führt zu zylindrischen Proben, die bildgebende Artefakte aus unregelmäßigen Probenformen minimieren und die mikroarchitektonische Visualisierung und Analyse verbessern.

Abstract

Knochen ist ein dynamisches und mechanisch aktives Gewebe, das sich im Laufe der menschlichen Lebensdauer in der Struktur verändert. Die Produkte des Knochenumbauprozesses wurden im Wesentlichen mit traditionellen zweidimensionalen Techniken untersucht. Jüngste Fortschritte in der Röntgenbildgebungstechnologie durch Desktop-Mikrocomputertomographie (CT) und Synchrotronstrahlung Mikrocomputertomographie (SR-CT) haben die Erfassung von hochauflösenden dreidimensionalen (3D) Scans eines größeren Sichtfeldes (FOV) als andere 3D-Bildgebungstechniken (z. B. SEM) ermöglicht, die ein vollständigeres Bild der mikroskopischen Strukturen innerhalb des menschlichen Kortikalknochens liefern. Die Probe sollte jedoch innerhalb des FOV genau zentriert sein, um das Auftreten von Streifenartefakten zu begrenzen, von denen bekannt ist, dass sie Datenanalysen beeinflussen. Frühere Studien haben die Beschaffung von unregelmäßig geformten geradlinigen Knochenblöcken berichtet, die aufgrund ungleichmäßiger Kanten oder Bildabschneide zu bildgebenden Artefakten führen. Wir haben ein geologisches Probenahmeprotokoll (Coring) angewendet, um konsistent ekortikale Knochenkernproben für SR-CT-Experimente aus dem vorderen Aspekt der menschlichen Femora zu beschaffen. Diese Coring-Methode ist effizient und minimal destruktiv für Gewebe. Es werden einheitliche zylindrische Proben erstellt, die bildgebende Artefakte von Der Art, die während der Rotation isometrisch ist, verringern und eine gleichmäßige Pfadlänge für Röntgenstrahlen während des Scannens bereitstellen. Die Bildverarbeitung von röntgentomographischen Daten von entkernten und unregelmäßig geformten Proben bestätigt das Potenzial der Technik, die Visualisierung und Analyse der kortikalen Knochenmikroarchitektur zu verbessern. Ein Ziel dieses Protokolls ist es, eine zuverlässige und wiederholbare Methode für die Extraktion von kortikalen Knochenkernen zu liefern, die für verschiedene Arten von hochauflösenden Knochenbildgebungsexperimenten anpassungsfähig ist. Ein übergeordnetes Ziel der Arbeit ist es, eine standardisierte kortikale Knochenbeschaffung für SR-CT zu schaffen, die erschwinglich, konsistent und unkompliziert ist. Dieses Verfahren kann von Forschern in verwandten Bereichen, die häufig harte Verbundwerkstoffe wie in der biologischen Anthropologie, Geowissenschaften oder Materialwissenschaften bewerten, weiter angepasst werden.

Introduction

Mit den jüngsten Fortschritten in der Bildgebungstechnologie ist es nun möglich, Röntgenbilddaten mit sehr hoher Auflösung zu erfassen. Desktop-Mikro-CT-Systeme sind aufgrund ihrer zerstörungsfreien Natur der aktuelle Standard für die Bildgebung von Cancellous-Knochen¹. Bei der Abbildung der mikrostrukturellen Merkmale des kortikalen Knochens war die Verwendung von CT jedoch begrenzter. Aufgrund von Lösungseinschränkungen können Desktop-Systeme nicht die Auflösung erreichen, die erforderlich ist, um mikrostrukturelle Merkmale abzubilden, die kleiner sind als kortikale Poren, wie z. B. Osteozyten-Lücken. Für diese Anwendung ist SR-CT ideal aufgr....

Protocol

Alle Proben wurden von einbalsamierten kadaverischen Spendern der University of Toledo, des College of Medicine and Life Sciences und der Northeast Ohio Medical University (NEOMED) mit der informierten Zustimmung des Spenders selbst oder des nächsten Angehörigen des Spenders bezogen. Das Institutional Review Board for the Protection of Human Subjects (IRB) der Universität Akron hielt diese Proben für von der vollständigen IRB-Überprüfung ausgenommen, da sie nicht von lebenden Personen beschafft wurden. Demografische Informationen wie Alter, Geschlecht und Todesursache lagen allen Spendern vor. Die ausgewählten Personen hatten weder dokumentierte knochenbeeinflussende ....

Results

Die beschriebene Methode der Kernprobenahme erwies sich als äußerst effektiv und effizient. Die Mithilfe für Proben, die dieses Protokoll verwenden, ermöglichte die Beschaffung von Proben in konstanter Größe von >300 für Experimente an der CLS BMIT-BM-Beamline², mit einem FOV von 2 mm bei einer Voxelgröße von 1,49 m. Um die Konsistenz des Kerndurchmessers zu validieren, wurden entlang der Länge (oben, Mitte, Unten) einer Teilmenge menschlicher vorderer Femoralkerne (n=69) drei Messunge.......

Discussion

Es gibt kein umfassendes, standardisiertes Protokoll zur Beschaffung einheitlicher und zylindrischer kortikaler Knochenkernproben für hochauflösende SR-CT-Bildgebung mit begrenzten FOV-Setups. Das hier beschriebene Protokoll füllt diese Lücke, indem es ein umfassendes Tutorial zur Beschaffung von konsistent dimensionierten kortikalen Knochenkernproben für die SR-CT-Bildgebung und die anschließende genaue Visualisierung und Extraktion von mikroarchitektonischen Daten bereitstellt. Wir haben gezeigt, dass unser Protokoll e.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1-1/8" Tauchschneidhartmetall für Verbundwerkstoffe	Warrior	61812	28,6 mm Tauchen
70% Ethanol	Fisher Scientific	BP8201500	3,8 Liter
Pinzette mit stumpfer Spitze	Fisher Scientific	10-300
Zentrifugenröhrchen	ThermoFisher	55398
Crystalbond 509-3 Epoxidharz	Ted Pella	821-3
CTAnalyser	Bruker microCT	v.1.15.4.0	Herunterladen und installieren bei https://www.bruker.com/products/microtomography/micro-ct-software/3dsuite.html
Dental Tool Kit	Amazon	787269885110
Diamond Wafering Sägeblatt für Verbundwerkstoffe	Buehler	#11-4247
Bohrmaschine	Jet Mill/Drill	350017	Modell: JMD-15, Tischbohrmaschinen sind geeignete Substite, aber es fehlt in der Regel ein verschiebbarer Maschinentisch zum Positionieren von Proben unter dem Bohrstiel
Pinzetten mit feiner Spitze	Fisher Scientific	22-327379
Befestigungsklemmen für XY-Maschinentisch für Fräse/Bohrer	MSC Industrial Supply	#04804571
Objektträger aus Glas	Ted Pella	26005	Objektträger 75x50 mm, 1 mm dick
Glasschieberfutter	Buehler	#112488	Groß genug, um 75x50mm Glasobjektträger aufzunehmen
Heizplatte mit einer Geschwindigkeit von 140 & Grad; C	ThermoScientific	HP88850105
Inkubator	NAPCO	Modell 4200
Isocut Fluid	Bühler	111193032	Schmiermittel; 30mL
Diamantbohrer für Juwelier	Otto Frei	#119.050	Bohrkrone mit 2 mm Innendurchmesser mit hohlem Schaft
NRecon	Bruker microCT	v.1.6.10.2	Herunterladen und installieren bei https://www.bruker.com/products/microtomography.html
Oszillierende Säge	Harbor Freight	62866
Backofenfestes Glasgeschirr	Pyrex	1117715	Vorratsbehälter für Lebensmittel
aus Glas Präzisionssäge mit langsamer Drehzahl (Isomet 1000)	Bühler	111280160
Rasierklingen	Amazon	25181
Flache Aluminiumdosen	Amazon	B01MRWLD0R	~ 8 cm Durchmesser
Probenbecher	Amazon	616784425436 885334344729
Tergazyme Waschmittel	Alconox	1304-1	1,8 kg Schachtel
Ultraschallreiniger	MTI Corporation	KJ201508006