Zerbrechlichkeit Bewertung der bovinen kortikalen Knochen mit Kratztests

Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es, das Frakturverhalten des kortikalen Knochens auf der Mesoskala mit Hilfe mikroskopischer Kratztests zu charakterisieren. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen aus den Bereichen Biomechanik und Frakturmechanik zu beantworten, wie z.B. die Fragilität biologischer Gewebe oder den Umbau von kompaktem Knochen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie für kleine Proben geeignet ist.

Es ist rigoros, reproduzierbar und halbdestruktiv. Darüber hinaus ist die Methode objektiv, da wir uns ausschließlich auf Kraft- und Tiefenmessungen verlassen. Kavya Mendu, ein Doktorand in meinem Labor, wird das Verfahren vorführen.

Um diesen Vorgang zu beginnen, tauen Sie die gefrorenen Oberschenkelknochen in einem Behälter mit Wasser etwa zwei Stunden lang bei Raumtemperatur auf. Schneiden Sie dann mit einer Tisch-Diamantbandsäge mehrere etwa 10 bis 15 Millimeter dicke Scheiben aus dem mittleren Diaphysenbereich ab, um Proben mit einheitlichem Querschnitt des kortikalen Knochens herzustellen. Verwenden Sie danach ein Sezierset, um weiches Gewebe oder Fleisch zu entfernen, das an der Kortikalis haftet.

Schneiden Sie die Querschnitte der Oberschenkelknochen mit einer Diamant-Wafering-Klinge bei niedriger Geschwindigkeit entlang der Längsachse des Knochens unter nassen Bedingungen, um mehrere, gekräuselte quaderförmige Schnitte zu erhalten. Reinigen Sie anschließend die Proben 20 Minuten lang in der Lösung aus 1,5 % anionischem Reiniger und 5 % Bleiche in einem Ultraschallreiniger. Betten Sie anschließend die kortikalen Knochenproben in Acrylharz ein, um die Handhabung und Stabilität zu erleichtern, indem Sie zunächst die Wände der Form mit einem Trennmittel beschichten.

Mischen Sie dann das Acrylharz und den Härter in einem Becherglas. Legen Sie eine der geschnittenen kortikalen Knochenproben mit der zu kratzenden Oberfläche nach unten in jede Form. Gießen Sie die Acrylharzmischung in diese vorbereiteten Probenhalter.

Entfernen Sie die während des Mischvorgangs eingeschlossenen Luftblasen. Lassen Sie die Proben vier bis fünf Stunden für uns aushärten. Schneiden Sie anschließend die eingebetteten Proben bei niedriger Geschwindigkeit in fünf Millimeter dicke Scheiben, wodurch die zu zerkratzende Oberfläche freigelegt wird.

Anschließend montieren Sie die Proben mit Cyanacrylatkleber auf die Aluminiumscheiben mit einem Durchmesser von 34 Millimetern und einer Höhe von fünf Millimetern. Wickeln Sie dann die Proben in ein Messgerät ein, das in HBSS geschockt ist. Und bis zur weiteren Verwendung bei vier Grad Celsius kühlen.

Bei diesem Verfahren werden die rinderkortikalen Knochenproben bei Raumtemperatur mit Siliziumkarbidpapieren der Körnung 400 bzw. 600 für eine Minute bzw. fünf Minuten zerkleinert. Halten Sie die Schleifmaschine auf den Basisdrehzahlen von 100 U/min bzw. 150 U/min. Danach schleifen Sie die rinderkortikalen Knochenproben bei Raumtemperatur auf den Papieren der Körnung 800 und 1200 für eine Dauer von 15 Minuten bei jedem Schritt.

Halten Sie die Schleifmaschine auf der Basisdrehzahl von 150 U/min, der Kopfdrehzahl von 60 U/min und der Betriebslast von einem Pfund. Die Proben werden mit drei Mikrometern, einem Mikrometer und 0,25 Mikrometer Diamantsuspensionslösungen in der gleichen Reihenfolge auf einem harten, perforierten Vliesstoff für eine Dauer von je 90 μm bei Raumtemperatur poliert. Halten Sie die Betriebslast für jeden Schritt bei einem Pfund, wobei die Basis- und Kopfdrehzahlen des Polierers bei 300 U/min bzw. 60 U/min liegen.

Anschließend wird die Probe mit einer 0,05-Mikrometer-Aluminiumoxid-Suspensionslösung auf einem weichen, synthetischen Viskosetuch für eine Dauer von 90 Minuten bei einem Pfund mit einer Basis- und Kopfdrehzahl von 100 U/min bzw. 60 U/min ebenfalls bei Raumtemperatur poliert. Das Schleifen und Polieren der Probe ist entscheidend, um die flache Struktur zu erhalten, ohne das Gefüge wesentlich zu verändern. Legen Sie die Proben zwischen jedem aufeinanderfolgenden Schritt des Schleifens und Polierens in ein Becherglas mit diionisiertem Wasser und halten Sie das Becherglas zwei Minuten lang in einem Ultraschallbad, um die Rückstände zu reinigen und Kreuzkontaminationen zu vermeiden.

Betrachten Sie dann die Oberflächenmerkmale mit einem optischen Mikroskop oder einer REM-Bildgebung. Kalibrieren Sie vor der Prüfung von kortikalen Knochenproben die Rockwell-Eindringkörperspitze mit Polycarbonat. Legen Sie als Nächstes die kortikale Knochenprobe auf den Tisch und wählen Sie den Sicht-Kratztest mit dem optischen Mikroskop, das in das Mikro-Kratztester-Modul integriert ist.

Wenden Sie dann eine lineare progressive Last mit einer Startlast von 30 Millinewton und einer Endlast von 30 Newton an. Die Ladegeschwindigkeit soll auf 60 Newton pro Minute und die Kratzlänge auf drei Millimeter eingestellt werden. Es ist zwingend erforderlich, einen Bereich mit hoher Dichte für kompakten Knochen zu wählen.

Bereiche in der Nähe des abbrechenden Knochens, die Mikroporen vergrößern, müssen vermieden werden, da sie zu niedrigen Werten der Frakturfestigkeit führen. Führen Sie anschließend eine Reihe von Kratztests an den kurzen, längsseitigen kortikalen Knochenproben von Rindern durch. Befeuchten Sie die Probenoberfläche nach jedem Satz von drei bis vier Kratztests mit HBSS, um sie mit Feuchtigkeit zu versorgen.

Analysieren Sie danach die Kratztestdaten auf der Grundlage einer nichtlinearen, bruchmechanischen Modellierung. Hier ist eine optische Mikroskopieaufnahme des Panoramas des Kratzhains zu sehen. Hier sehen Sie das entsprechende Diagramm der Kraft in Abhängigkeit von der Tiefe entlang der Länge der Kratzerung.

Die horizontale Kraft entspricht der Widerstandskraft, die von den Sensoren erfasst wird, die am Mikrokratzertisch angebracht sind. Und die vertikale Kraft entspricht der progressiven linearen Kraft, die auf die kortikale Knochenprobe ausgeübt wird. Die REM-Bilder der Kratzerrinne zeigen hier die Mikromechanismen wie Rissablenkung, Rissüberbrückung, Faserüberbrückung und Abplatzung bei 40X, 10.000X, 2, 400X und 5.000X.

Bei der Probenvorbereitung ist es wichtig, die relative Luftfeuchtigkeit zu überwachen und die Proben immer feucht zu halten, um eine lokale Austrocknung zu vermeiden. Im Anschluss an dieses Verfahren können andere Methoden wie Röntgen-Computertomographie-Experimente durchgeführt werden, um Additionsfragen wie z.B. Fraktur-Mikromechanismen auf meso- und mikroskopischer Skala zu beantworten. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man mikroskopische Kratzfrakturtests an hartem biologischem Gewebe durchführt.