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Research Article
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Die mechanische Prüfung von Nagetierknochen ist eine wertvolle Methode, um Informationen über die Bruchanfälligkeit eines Knochens zu gewinnen. Mangels angemessenem praktischem Verständnis können die Ergebnisse überinterpretiert werden oder keine Gültigkeit haben. Dieses Protokoll dient als Leitfaden, um sicherzustellen, dass mechanische Tests genau durchgeführt werden, um gültige und funktionsfähige Daten zu liefern.
Die Zerbrechlichkeit des Skeletts, die zu Frakturen führt, ist eine Krise der öffentlichen Gesundheit in den USA, die jedes Jahr zu 1,5 Millionen Frakturen und 18 Milliarden US-Dollar an direkten Pflegekosten führt. Die Fähigkeit, die Mechanismen, die Knochenerkrankungen zugrunde liegen, und das Ansprechen auf die Behandlung zu verstehen, ist nicht nur erwünscht, sondern entscheidend. Die mechanische Prüfung von Knochen ist eine wertvolle Technik, um die Bruchanfälligkeit eines Knochens zu verstehen und zu quantifizieren. Obwohl diese Methode einfach durchzuführen erscheint, können unangemessene und ungenaue Schlussfolgerungen gezogen werden, wenn maßgebliche Annahmen und wichtige Schritte vom Benutzer missachtet werden. Dies ist disziplinübergreifend zu beobachten, da weiterhin Studien mit Missbrauch von Methoden und falscher Interpretation der Ergebnisse veröffentlicht werden. Dieses Protokoll dient als Grundlage für die Prinzipien, die mit mechanischen Tests verbunden sind, sowie für die Anwendung dieser Techniken - von Überlegungen zur Probengröße über die Gewebeentnahme und -lagerung bis hin zur Datenanalyse und -interpretation. Auf diese Weise können wertvolle Informationen über die Frakturanfälligkeit eines Knochens gewonnen werden, die das Verständnis sowohl für die akademische Forschung als auch für klinische Lösungen fördern.
Die mechanische Prüfung von Knochen ist die primäre Methode, um funktionelle Informationen über die Bruchanfälligkeit eines Knochens zu extrahieren. In präklinischen Studien können mehrere Testmodalitäten verwendet werden, aber die bei weitem häufigste ist das Biegen von Röhrenknochen. Diese Tests sind einfach durchzuführen und können an Knochen unterschiedlicher Größe von Mensch bis Maus angewendet werden. Da Mäuse zu den am häufigsten untersuchten Tieren in der präklinischen Forschung gehören, konzentriert sich dieses Protokoll auf Biegetests, die an den Oberschenkelknochen und Tibiae von Mäusen durchgeführt werden.
Vor der Durchführung von Biegeversuchen müssen die Knochen ordnungsgemäß entnommen und gelagert werden. Die gebräuchlichsten Lagerungsmethoden waren traditionell das Einfrieren von Knochen in salzgetränkter Gaze, das Einfrieren in Kochsalzlösung allein oder das Dehydrieren von Knochen in Ethanol 1. Es hat sich gezeigt, dass in Ethanol gelagerte Knochen eine höhere Steifigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul sowie geringere Verformungsparameter aufweisen als Knochen, die gefroren gelagert werden1. Selbst wenn die Knochen vor dem Test rehydriert werden, werden diese Eigenschaften nicht wieder auf ein normales Niveau zurückgeführt 1. Die Lagerung in Kochsalzlösung kann den Knochen schädigen, da Druck ausgeübt wird, wenn sich die Kochsalzlösung ausdehnt. Darüber hinaus wäre ein vollständiges Auftauen der Lösung erforderlich, um die Knochen für die Mikrocomputertomographie (μCT) zu entfernen. Folglich ist das Einfrieren frisch geernteter Knochen in salzgetränkter Gaze zur Standard-Lagerungsmethode geworden und wird in diesem Protokoll empfohlen.
Da die Größe und Form eines Knochens seine Volumenfestigkeit beeinflussen und viele Krankheitsmodelle die Knochengröße und -morphologie erheblich verändern, werden technische Prinzipien verwendet, um die Auswirkungen der Größe zu normalisieren und Eigenschaften zu erzeugen, die das Verhalten des Gewebes abschätzen2. Dieser Ansatz erfordert eine Querschnittsgeometrie der Versagensstelle, die am häufigsten mit μCT erfasst wird, um Scans der Knochen vor dem Test zu erstellen. μCT ist aufgrund seiner Verfügbarkeit und hohen Bildauflösung weit verbreitet. Darüber hinaus sind Beiträge von Weichgewebe nicht enthalten, und das Scannen erfordert keine chemische Fixierung oder andere Modifikationen des Knochens 3,4. Bei allen Formen der CT wird eine Röntgenquelle auf ein Objekt fokussiert, während ein Detektor auf der anderen Seite des Objekts die resultierende Röntgenenergie misst. Dadurch entsteht ein Röntgenschatten der Probe, der in ein Bildumgewandelt werden kann 3,5. Das zu scannende Objekt wird gedreht (oder die Röntgenquelle und der Detektor werden um die Probe gedreht), wodurch Bilder erzeugt werden, die in einen dreidimensionalen Datensatz rekonstruiert werden können, der das Objekt5 darstellt.
Die Scanauflösung, d. h. wie nahe zwei Objekte einzeln beieinander liegen und dennoch aufgelöst werden können, wird durch Ändern der nominalen Voxelgröße oder der Größe eines Pixels im resultierenden Bild gesteuert. Es ist allgemein anerkannt, dass Objekte mindestens doppelt so groß sein müssen wie ein einzelnes Voxel3, aber ein höheres Verhältnis ermöglicht eine verbesserte Präzision. Darüber hinaus sind größere Voxel anfälliger für Teilvolumeneffekte: Wenn ein einzelnes Voxel Gewebe unterschiedlicher Dichte enthält, wird ihm der Durchschnitt dieser Dichten und nicht die spezifische Dichte eines einzelnen Gewebes zugewiesen, was zu einer Über- oder Unterschätzung der Gewebebereiche und der Mineraldichte führen kann3. Diese Probleme können zwar durch die Wahl kleinerer Voxelgrößen gemildert werden, aber die Verwendung einer höheren Auflösung gewährleistet nicht die Eliminierung von Teilvolumeneffekten und erfordert möglicherweise längere Scanzeiten3. Beim Ex-vivo-Scan von Knochen wird im Allgemeinen eine Voxelgröße von 6-10 μm empfohlen, um die trabekuläre Architektur von Mausknochen genau beurteilen zu können. Für kortikalen Knochen kann eine größere Voxelgröße von 10-17 μm verwendet werden, obwohl die kleinste sinnvolle Voxelgröße verwendet werden sollte. Dieses Protokoll verwendet eine Voxelgröße von 10 μm, die klein genug ist, um wichtige trabekuläre Eigenschaften zu differenzieren und Teilvolumeneffekte ohne lange Scanzeit zu minimieren.
Auch die Einstellungen für Röntgenenergie und Energiefilter müssen sorgfältig gewählt werden, da die hohe Mineraldichte und Dicke des Knochengewebes das transmittierte Röntgenenergiespektrum stark abschwächt und verändert. Es wird allgemein angenommen, dass, da das emittierte Röntgenspektrum äquivalent zu dem Spektrum ist, das das Objekt6 verlässt, die Verwendung von niederenergetischer Röntgenstrahlung auf dichte Objekte wie Knochen zu einem Artefakt führen kann, das als Strahlhärtung7 bekannt ist. Beim Scannen von Knochenproben wird eine höhere Spannung von 50-70 kVp empfohlen, um das Auftreten dieser Artefakte zu reduzieren5. Darüber hinaus erzeugt das Einsetzen eines Aluminium- oder Kupfer-Energiefilters einen konzentrierteren Energiestrahl, wodurch Artefakte weiter minimiertwerden 4,7. Während dieses Protokolls wird ein 0,5-mm-Aluminiumfilter verwendet.
Schließlich steuern der Scan-Rotationsschritt und die Rotationslänge (z. B. 180°-360°) zusammen die Anzahl der aufgenommenen Bilder, die die Menge des Rauschens im endgültigen Scan4 bestimmt. Die Mittelung mehrerer Frames in jedem Schritt kann das Rauschen reduzieren, aber die Scanzeit verlängern4. Dieses Protokoll verwendet einen Rotationsschritt von 0,7 Grad und eine Frame-Mittelung von 2.
Eine letzte Anmerkung zum Scannen: Hydroxylapatit-Kalibrierphantome sollten mit den gleichen Scaneinstellungen wie die experimentellen Knochen gescannt werden, um die Umrechnung der Dämpfungskoeffizienten in die Mineraldichte in g/cm35 zu ermöglichen. Dieses Protokoll verwendet Phantome von 0,25 g/cm3 und 0,75 g/cm3 Hydroxylapatit, obwohl verschiedene Phantome verfügbar sind. Beachten Sie, dass einige Scansysteme interne Phantome als Teil der täglichen Systemkalibrierung verwenden.
Sobald der Scanvorgang abgeschlossen ist, werden die Winkelprojektionen zu Querschnittsbildern des Objekts rekonstruiert, in der Regel mit der begleitenden Software des Herstellers. Unabhängig davon, welches System verwendet wird, ist es wichtig sicherzustellen, dass der gesamte Knochen bei der Rekonstruktion erfasst wird und dass die Schwellenwerte angemessen festgelegt werden, um die Erkennung von Knochen und Nicht-Knochen zu ermöglichen. Nach der Rekonstruktion ist es wichtig, alle Scans dreidimensional zu drehen, damit die Knochen konsistent ausgerichtet und richtig mit der Querachse ausgerichtet sind, wiederum mit der Software des Herstellers.
Nach der Rotation können Regions of Interest (ROI) für die Analyse ausgewählt werden, je nachdem, ob kortikale Eigenschaften, trabekuläre Eigenschaften oder Bruchgeometrie für die mechanische Normalisierung gewünscht werden. Bei letzterem sollten ROIs nach dem Test ausgewählt werden, indem der Abstand von der Frakturstelle zu einem Ende des Knochens gemessen und die Voxelgröße verwendet wird, um die entsprechende Schichtposition in der Scandatei zu bestimmen. Die ausgewählte Region sollte mindestens 100 μm lang sein, wobei der Bruchpunkt ungefähr in der Mitte des ROI liegen sollte, um eine angemessene Schätzung zu ermöglichen4.
Wenn ROIs ausgewählt sind, werden zwei Eigenschaften für die mechanische Normalisierung (zur Berechnung der Biegespannung und -dehnung) benötigt: der maximale Abstand von der neutralen Biegeachse zur Oberfläche, an der das Versagen ausgelöst wird (angenommen wird die unter Spannung belastete Fläche, die durch den Versuchsaufbau bestimmt wird) und das Flächenträgheitsmoment um die neutrale Achse (ebenfalls abhängig vom Versuchsanordnung). Dieses Protokoll empfiehlt die Verwendung eines benutzerdefinierten Codes, um diese Werte zu bestimmen. Für den Zugriff auf den Code wenden Sie sich direkt an den korrespondierenden Autor oder besuchen Sie die Lab-Website unter https://bbml.et.iupui.edu/ für weitere Informationen.
Sobald der μCT-Scan abgeschlossen ist, kann mit der mechanischen Prüfung begonnen werden. Biegeversuche können entweder in Vierpunkt- oder Dreipunktkonfiguration durchgeführt werden. Vier-Punkt-Biegeversuche werden bevorzugt, da sie die Scherspannung im Knochen zwischen den Belastungspunkten eliminieren und eine reine Biegung in diesem Bereich ermöglichen3. Der Knochen bricht dann aufgrund der Spannung, wodurch ein Versagen entsteht, das repräsentativer für die wahren Biegeeigenschaften des Knochensist 3. Der Knochen muss jedoch so belastet werden, dass er an beiden Belastungspunkten die gleiche Last abgibt (dies kann mit einem schwenkbaren Ladekopf erleichtert werden). Bei Dreipunktbiegeversuchen gibt es eine große Änderung der Scherspannung an der Stelle, an der der Belastungspunkt auf den Knochen trifft, was dazu führt, dass der Knochen an dieser Stelle aufgrund von Scherung bricht, nicht aufgrund von Spannung3. Die ASTM-Normen empfehlen, dass Materialien, die gebogen werden, ein Verhältnis von Länge zu Breite von 16:1 haben sollten, was bedeutet, dass die Länge der Stützspannweite 16-mal größer sein sollte als die Breite des Knochens, um die Auswirkungen der Scherungzu minimieren 8,9. Dies ist bei der Prüfung kleiner Nagetierknochen oft nicht zu erreichen, daher wird die Belastungsspanne einfach so groß wie möglich gemacht, aber mit einer möglichst geringen Veränderung der Querschnittsform. Darüber hinaus sollte bei der Durchführung der Vier-Punkt-Beugung das Verhältnis zwischen den Längen der unteren und oberen Spannweite ~3:18 betragen, was normalerweise im Schienbein erreicht werden kann, aber im kürzeren Oberschenkelknochen schwierig ist. Darüber hinaus machen die dünneren kortikalen Wände der Oberschenkelknochen sie anfällig für ringförmige Verformungen, die die Form des Knochenquerschnitts während des Tests verändern (dies kann bei Vierpunkttests akzentuiert werden, da im Vergleich zur Dreipunktbiegung eine größere Kraft erforderlich ist, um das gleiche Biegemoment zu induzieren). Daher wird die Drei-Punkt-Beugung für den Oberschenkelknochen der Maus verwendet, während die Vier-Punkt-Beugung für die Tibiae während des gesamten Protokolls verwendet wird.
Schließlich ist es wichtig, die Studie für die statistische Analyse richtig mit Strom zu versorgen. Eine allgemeine Empfehlung für mechanische Tests ist eine Stichprobengröße von 10-12 Knochen pro Versuchsgruppe, um Unterschiede erkennen zu können, da einige mechanische Eigenschaften, insbesondere Nachstreckungsparameter, sehr variabel sein können. In einigen Fällen kann dies bedeuten, dass mit einer höheren Stichprobengröße begonnen wird, da es während der Studie zu einer Abnutzung kommen könnte. Die Analyse der Stichprobengröße anhand vorhandener Daten sollte vor dem Versuch einer Studie abgeschlossen werden.
Es gibt zahlreiche Einschränkungen und Annahmen, aber Biegeversuche können recht genaue Ergebnisse liefern, insbesondere wenn relative Unterschiede zwischen Gruppen von Interesse sind. Diese Eigenschaften, zusammen mit der Analyse der trabekulären Architektur und der kortikalen Morphologie, können einen besseren Einblick in Krankheitszustände und Behandlungsschemata ermöglichen. Wenn die Aspekte des Experiments, die in unserer Kontrolle liegen (z. B. Ernte, Lagerung, Scannen und Testen), sorgfältig behandelt werden, können wir sicher sein, dass genaue Ergebnisse erzielt wurden.
Alle in diesem Protokoll beschriebenen Verfahren, an denen Tiere beteiligt waren, wurden vor dem Verfahren vom Indiana University School of Science Institutional Animal and Use Committee (IACUC) genehmigt. Die in dem Verfahren beschriebenen Tiere wurden durch CO2 -Inhalation euthanasiert, gefolgt von einer Gebärmutterhalsluxation als sekundäres Mittel der Euthanasie.
1. Ernte, Lagerung und Auftauen der Knochen
2. μCT-Abtastung
3. μCT-Rekonstruktion
4. μCT-Rotation
HINWEIS: Nach der Rekonstruktion müssen die Scans gedreht werden, um eine konsistente Ausrichtung über alle Knochen hinweg herzustellen und sicherzustellen, dass Querschnitte des resultierenden Knochens senkrecht zur Längsachse mit so wenig Versatzwinkel wie möglich aufgenommen werden. Dies sollte mit der Software der Wahl des Benutzers erfolgen.
5. Mechanisches Prüfverfahren
Abbildung 1: Aufbau des mechanischen Prüfgeräts. (A) Dreipunkt- und (B) Vierpunktbiegeversuche. Die Wägezelle ist gelb, die Ladevorrichtungen blau und die Stützvorrichtungen grün dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Orientierung der Knochen zwischen den Vorrichtungen . (A) Korrekte Ausrichtung eines Oberschenkelknochens in Dreipunkt-Biegebelastungsvorrichtungen, die bei korrekter Positionierung (von oben nach unten) Ansichten von der medialen, vorderen und hinteren Seite des Oberschenkelknochens zeigen. Die Ladevorrichtungen sind in Orange und die Stützvorrichtungen in Blau dargestellt. Die unteren Spannweiten sollten so eingestellt werden, dass sie so viel wie möglich vom geradesten Teil der Diaphyse umfassen, und die obere Vorrichtung sollte zwischen diesen Spannweiten zentriert sein. (B) Korrekte Ausrichtung eines Schienbeins für die Vier-Punkt-Beugung, die (von oben nach unten) Ansichten von der vorderen, lateralen und medialen Seite des Schienbeins zeigt. Der Knochen sollte so belastet werden, dass die mediale Fläche die untere Vorrichtung und die laterale Fläche die obere Vorrichtung berührt. Die Verbindung zwischen Schienbein und Wadenbein sollte knapp außerhalb der Belastungsspanne platziert werden. Die Spannweiten sollten so eingestellt werden, dass sie ein Verhältnis von Last zu Auflager von 1:3 bestmöglich erfüllen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
6. ROI-Auswahl
7. Normalisierung von Kraft- und Wegdaten
HINWEIS: Der mechanische Prüfer erzeugt nur Punkte mit x- und y-Koordinaten (Verschiebung, Kraft). Diese Punkte können mit Hilfe der Euler-Bernoulli-Biegespannungs- und Dehnungsgleichungen in Spannung und Dehnung umgewandelt werden, erfordern jedoch geometrische Eigenschaften, die aus μCT-Scans gewonnen werden. Die Quantifizierung dieser Eigenschaften kann mit der bevorzugten Software des Benutzers durchgeführt werden. Wir bevorzugen einen benutzerdefinierten Code, der die vollständige Kontrolle über alle Eingaben, Berechnungen und Ausgaben bietet. Wie bereits erwähnt, wenden Sie sich für den Zugriff auf den Code direkt an den korrespondierenden Autor oder besuchen Sie die Lab-Website unter https://bbml.et.iupui.edu/, um weitere Informationen zu erhalten. Die Spannungs- und Dehnungsgleichungen sowie die notwendigen geometrischen Eigenschaften, die aus μCT-Scans gewonnen werden müssen, um diese zu berechnen, werden im Folgenden erläutert.
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(3)
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(5)8. Mechanische Prüfeigenschaften von Interesse
Abbildung 3: Kraft-Weg- und Spannungs-Dehnungs-Kurven. (A) Ideale Kraft-Weg-Kurve; (B) ideale Spannungs-Dehnungs-Kurve mit der Linie, die aus der 0,2%-Offset-Methode abgeleitet wurde, die zur Berechnung der rot dargestellten Streckgrenze verwendet wird (beachten Sie, dass diese Linie die gleiche Steigung wie die des elastischen Bereichs der Kurve hat). Zu den wichtigsten Eigenschaften, die aus der Kraft-Weg-Kurve ermittelt werden können, gehören die Streckgrenze, die Tragfähigkeit, die Verschiebung zur Streckgrenze, die Gesamtverschiebung und die Arbeit. Zu den Eigenschaften auf Gewebeebene, die aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve gewonnen werden können, gehören Fließspannung, Dauerspannung, Dehnung bis Streckgrenze, Gesamtdehnung, Elastizität und Zähigkeit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Nach Abschluss der CT-Untersuchung können die meisten unzureichenden Scans bei der Rekonstruktion erfasst werden. Schlechte Scans weisen häufig eine hohe Fehlausrichtungskompensation auf, die ein klarer Indikator für einen Fehler während des Scans ist. In anderen Schritten können jedoch Fehler auftreten, die ebenfalls zu ungenauen Daten führen können. Diese Fehler sind oft bei der Untersuchung der einzelnen berechneten architektonischen Eigenschaften zu erkennen. Wenn die Werte weit außerhalb des Bereichs der anderen in einer Gruppe liegen, sollten der Scan, der ROI und die Methode zur Berechnung der Eigenschaften erneut überprüft werden.
Sobald die Biegetests abgeschlossen sind, sollten die Kraft-Weg-Diagramme aus jedem Test untersucht werden, um schlechte Tests zu identifizieren, die möglicherweise aus dem Datensatz entfernt werden müssen. Ein Beispiel für einen problematischen Test ist in Abbildung 4 dargestellt. Das Diagramm in Abbildung 4A zeigt die Ergebnisse eines korrekt durchgeführten Biegeversuchs. Es gibt einen klaren linearen Bereich, in dem eine Vorspur mit geringer Neigung fehlt, eine Streckgrenze, einen Endpunkt (Maximalkraft), einen Kraftabfall, wenn sich die Verschiebung über die Maximalkraft hinaus erstreckt, und einen Bruchpunkt. Die Kurve ist glatt und es treten keine abrupten Änderungen der Belastung auf, bis der Endpunkt erreicht ist. Folglich können Eigenschaften aus diesem Test leicht identifiziert und als vertrauenswürdig eingestuft werden. Das in Abbildung 4B gezeigte Diagramm zeigt das Ergebnis eines Biegeversuchs mit mehreren besorgniserregenden Merkmalen. Die abrupten Änderungen der Belastung und das Auftreten mehrerer Peaks im Diagramm sind wichtige Indikatoren für Probleme mit diesem Test. Während bei einem ordnungsgemäßen Test geringfügige Spitzen in der Nähe der Endkraft auftreten können, deuten die Größe und Anzahl der Spitzen in diesem Diagramm darauf hin, dass der Knochen während des Tests umgekippt sein könnte. Unabhängig davon, ob sie während des Tests oder bei der Untersuchung der Tests vor der Analyse beobachtet und notiert wurden, sollten die Probendaten während der Analyse nach dem Test untersucht werden. Wenn die Daten tatsächlich fehlerhaft sind oder weit außerhalb des Bereichs anderer Stichproben in der Gruppe liegen, wäre es ideal, diesen Test nicht in den endgültigen Datensatz aufzunehmen. Dies ist einer der Gründe, warum das Experiment mit priori-Power-Berechnungen ordnungsgemäß betrieben werden sollte. Es könnte möglich sein, nur bestimmte Eigenschaften aus einer Probe zu melden (in diesem Fall könnten Eigenschaften vor der Fließgrenze akzeptabel sein), aber dies ist nicht ideal und sollte bei der Meldung klar erklärt werden.
Abbildung 4: Kraft-Weg-Diagramme. (A) Ideales Kraft-Weg-Diagramm. (B) Kraft-Weg-Diagramm als Ergebnis eines schlechten Biegeversuchs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Wenn alle Kraft-Weg-Diagramme untersucht und die Werte auf die Spannungsdehnung normiert werden, können die interessierenden Eigenschaften auf verschiedene Weise identifiziert und dargestellt werden. In Abbildung 5 sind die resultierenden Kraft-Weg- und Spannungs-Dehnungs-Diagramme für eine gesamte Studie dargestellt. Dabei handelt es sich um schematische Darstellungen, bei denen die Kraft und die Verschiebung am Startpunkt (0,0), die Streckgrenze, der Endpunkt und das Versagen für jeden Knochen bestimmt werden und dann die Kraft/Spannung und die Verschiebung/Dehnung gemittelt werden, um ein Durchschnittsdiagramm für jede Gruppe zu erhalten. Die Diagramme werden nicht für statistische Analysen verwendet, aber sie können verwendet werden, um zu zeigen, wie das Gesamtverhalten aufgrund von Faktoren wie einer Behandlung oder einem Krankheitszustand variiert. Die in Abbildung 5 gezeigten Diagramme stammen aus einer Studie, in der Kontrollmäuse mit solchen verglichen wurden, die an Typ-2-Diabetes und chronischer Nierenerkrankung (T2D-CKD) litten. Das rechte Schienbein dieser Tiere wurde mittels Vier-Punkt-Biegung bis zum Versagen getestet und analysiert, um die in Protokollabschnitt 8 beschriebenen Eigenschaften zu erhalten. Aus Abbildung 5 geht hervor, dass die T2D-CKD-Gruppe reduzierte mechanische Eigenschaften, einschließlich Festigkeit und Steifigkeit, sowohl auf struktureller als auch auf Gewebeebene aufwies. Diese Mäuse scheinen auch reduzierte Nachertragseigenschaften zu haben, ein Indikator für Sprödigkeit. Diese Diagramme sollten nicht verwendet werden, um endgültige Schlussfolgerungen aus einer Studie zu ziehen. Vielmehr dienen sie als visuelle Darstellung und sollten durch eine statistische Analyse aller interessierenden Eigenschaften verifiziert werden.
Abbildung 5: Kraft-Weg- und Spannungs-Dehnungs-Diagramme für eine gesamte Studie . (A) Kraft-Verdrängungs-Diagramm für Kontrolltiere und Tiere, die durch Typ-2-Diabetes und chronische Nierenerkrankungen induziert werden. Dieses Diagramm ergab sich aus der Mittelung der Streckgrenze, der Verschiebung zur Streckgrenze, der Bruchkraft, der Tragfähigkeit, der Tragfähigkeit, der Versagenskraft und der Gesamtverschiebung für jede Gruppe und der Darstellung dieser Mittelwerte zusammen mit der Standardabweichung. (B) Stressbelastung für Kontrolltiere und T2D-CKD-Tiere. Dieses Diagramm ergab sich aus der Mittelung der Fließspannung, der Dehnung zur Streckgrenze, der Endspannung, der Bruchdehnung, der Versagensspannung und der Gesamtdehnung und der Darstellung der resultierenden Mittelwerte zusammen mit der Standardabweichung. Abkürzung: T2D-CKD = durch Typ-2-Diabetes und chronische Nierenerkrankungen ausgelöste Tiere. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die mechanischen Daten und Ergebnisse eines zweiseitigen t-Tests sind in Tabelle I dargestellt. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt. Eine allgemeine Untersuchung schlägt Daten vor, die innerhalb der richtigen Bereiche und mit erwarteten Variabilitätsgraden liegen. Beachten Sie, dass Postyield-Eigenschaften in der Regel die größte Variation aufweisen und daher häufig die größten Stichprobenumfänge erfordern, um aussagekräftige Unterschiede zu erkennen. Wie die schematischen Kurven in Abbildung 5 zeigen, gibt es signifikante Abnahmen bei fast allen strukturellen und gewebespezifischen mechanischen Eigenschaften. Aus diesen Daten kann geschlossen werden, dass der induzierte Krankheitszustand zu Knochen führte, die schwächer, weniger steif und anfälliger für Frakturen sind, da die Verformbarkeit verloren geht und die Zähigkeit vermindert ist. Studien mit nuancierteren Vergleichen sind möglicherweise nicht so einfach zu interpretieren. Ein Beispiel hierfür kann sein, wenn signifikante Verbesserungen bei den mechanischen Eigenschaften auf struktureller Ebene beobachtet werden, aber nicht bei den mechanischen Eigenschaften auf Gewebeebene. In diesem Fall sind die beobachteten Effekte wahrscheinlich eher auf Veränderungen in der Architektur des Knochens (z. B. vergrößerte Fläche, erhöhte kortikale Dicke) als auf Verbesserungen der Knochenqualität auf Gewebeebene zurückzuführen. Zum Beispiel hat sich die Knochenfläche aufgrund des Zuwachses an gewebtem Knochen vergrößert, aber die Gewebequalität hat abgenommen, da jetzt ein unorganisierter gewebter Knochen anstelle eines organisierten lamellären Knochens vorhanden ist. Dies könnte durch eine μCT-Analyse unterstützt werden, bei der statistisch signifikante Verbesserungen in der Architektur beobachtet werden können. Im Gegensatz dazu kann es signifikante Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften auf Gewebeebene geben, während die mechanischen Eigenschaften auf struktureller Ebene nur minimal/gar nicht verbessert werden. Diese hohe Gewebequalität könnte die Fallstricke kleinerer Knochen kaschieren. Die Dateninterpretation kann noch komplizierter werden, wenn Änderungen bei den Eigenschaften vor der Fließgabe, aber nicht bei den Eigenschaften nach der Fließgrenze beobachtet werden oder umgekehrt. Im ersten Fall kann eine Veränderung der Fähigkeit des Knochens, Verformungen zu widerstehen, verbessert werden, während seine Fähigkeit, Schäden zu tolerieren, nicht verbessert wird. In jedem dieser Fälle ist die Möglichkeit, architektonische Eigenschaften aus der μCT-Analyse zu referenzieren, sehr vorteilhaft und sollte genutzt werden (obwohl die Beschreibung dieser Methode den Rahmen dieses Artikels sprengen würde). Aufgrund der Komplexität der Interpretation dieser Eigenschaften ermöglicht die Darstellung aller Eigenschaften in Tabellen- oder Abbildungsform (nicht nur die Eigenschaften, die tendenziell am einfachsten zu interpretieren sind, wie z. B. die Bruchkraft, oder die die Geschichte erzählen, die man erzählen möchte), eine vollständigere Darstellung der mechanischen Einwirkungen.
| Steuerung | T2D-CKD | P-Wert | |
| Streckgrenze (N) | 19,7 ± 2,9 | 15,2 ± 2,6 | 0.0032** |
| Ultimative Kraft (N) | 22,8 ± 3 | 17,6 ± 3,4 | 0.0031** |
| Verschiebung zur Streckgrenze (μm) | 205 ± 17 | 190 ± 21 | 0.1039 |
| Verschiebung nach der Fließgrenze (μm) | 246 ± 235 | 60 ± 51 | 0.0435* |
| Gesamtverdrängung (μm) | 451 ± 230 | 249 ± 53 | 0.0278* |
| Steifigkeit (N/mm) | 110 ± 10 | 91 ± 13 | 0.0037** |
| Arbeit bis zum Ertrag (mJ) | 2,16 ± 0,45 | 1,54 ± 0,36 | 0.0055** |
| Nachtragsarbeiten (mJ) | 4,24 ± 3,01 | 1,04 ± 0,9 | 0.0109* |
| Gesamtarbeit (mJ) | 6,4 ± 2,88 | 2,58 ± 0,97 | 0.0025** |
| Streckgrenze (MPa) | 180 ± 20 | 157 ± 25 | 0.0504 |
| Bruchspannung (MPa) | 209 ± 26 | 181 ± 27 | 0.0434* |
| Von der Sorte bis zum Ertrag (mɛ) | 16,8 ± 2 | 16,4 ± 1,5 | 0.5771 |
| Gesamtdehnung (mɛ) | 36,6 ± 17,2 | 21,5 ± 4,3 | 0.0277* |
| Modul (GPa) | 12,2 ± 1,1 | 10,9 ± 1,1 | 0.0171* |
| Belastbarkeit (MPa) | 1,62 ± 0,33 | 1,38 ± 0,33 | 0.1377 |
| Zähigkeit (MPa) | 4,85 ± 2,29 | 2,26 ± 0,73 | 0.0076** |
Tabelle 1: Ergebnisse mechanischer Tests und statistischer Analysen. Die Werte werden als Mittelwert ± Standardabweichung angezeigt. Die P-Werte resultieren aus einem zweiseitigen, ungepaarten t-Test. * P < 0,05 und ** P < 0,01. Abkürzung: T2D-CKD = durch Typ-2-Diabetes und chronische Nierenerkrankungen ausgelöste Tiere.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu deklarieren.
Die mechanische Prüfung von Nagetierknochen ist eine wertvolle Methode, um Informationen über die Bruchanfälligkeit eines Knochens zu gewinnen. Mangels angemessenem praktischem Verständnis können die Ergebnisse überinterpretiert werden oder keine Gültigkeit haben. Dieses Protokoll dient als Leitfaden, um sicherzustellen, dass mechanische Tests genau durchgeführt werden, um gültige und funktionsfähige Daten zu liefern.
Die Arbeit zur Entwicklung dieses Protokolls wurde von den National Institutes of Health [AR072609 unterstützt.
| CTAn | Bruker | NA | CT Scan Analysis Software |
| DataViewer | Bruker | NA | CT Scan Rotation Software |
| Matrix Laboratory (MATLAB) 2023a | MathWorks | NA | Codierungsplattform für die Datenanalyse |
| NRecon | Bruker NA | CT Scan Rekonstruktionssoftware | |
| SKYSCAN 1272-100 kV mit 16 MP CCD-Detektor, inkl. 3D Suite Software& nbsp; | Micro Photonics Inc | SKY-016814 | Micro-CT-System, das zerstörungsfrei bis zu 209 mPs in jeder virtuellen Schicht durch ein Objekt visualisieren kann |
