Name: Evaluación de la fragilidad del hueso Cortical bovino utilizando pruebas de Scratch (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 36 s
Description: Aprende a evaluar la tenacidad de fractura del hueso cortical bovino mediante pruebas de arañado microscópico. Este método riguroso y reproducible permite estudiar la fragilidad ósea en muestras pequeñas.

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Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Civil e ingeniería ambiental y la Facultad de ingeniería en Universidad de Illinois en Urbana Champaign. Reconocemos la Ravindra Kinra y Kavita Kinra beca para apoyar los estudios de posgrado de Kavya Mendu. Investigación de microscopia electrónica de barrido se realizó en las instalaciones del laboratorio de investigación de Material de Frederick Seitz e Instituto Beckman de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign.

Nota: El protocolo descrito aquí, sigue las pautas de cuidado de los animales de la Comisión de uso y cuidado Animal institucional de Illinois.
1. muestra adquisiciones
<ol><li>Recoger fémur bovinos recién cosechados de un Estados Unidos Departamento de agricultura USDA certificado matadero y transportan en bolsas de plástico herméticas en una hielera. Nota: Para el estudio realizado aquí, fémur se obtuvieron de animales que fueron 24-30 meses edad, Morillas y pesados unos 1.000 - 1.100 libras.</li>
	<li>Congele el fémur en –20 ° C hasta el inicio del procedimiento de preparación de muestras. Esta temperatura mantiene el fémur fresco12,13,14.</li>
</ol>2. corte, limpieza, incrustación y las muestras
<ol><li>Descongelar los congelados fémures en un recipiente con agua por aproximadamente 2 horas a temperatura ambiente.</li>
	<li>Cortar varios discos de unos 10-15 mm de espesor de la región de la diáfisis media usando una sierra de banda de mesa diamante superior para producir a ejemplares con uniforme de la superficie transversal del hueso cortical.</li>
	<li>Utilice un kit de disección para quitar cualquier tejido suave o la carne unido a la cortical ósea.</li>
	<li>Las secciones transversales de los fémures obtenidas en el paso 2.2 usando una hoja de diamond wafering a una baja velocidad de sierra bajo condiciones húmedas a lo largo del eje longitudinal del hueso para obtener múltiples secciones más o menos cuboidales. Nota: Aquí, sólo preparación de la muestra y cero pruebas realizadas en el corto – muestras longitudinales se discuten. Sin embargo, excepto para la dirección del corte, el procedimiento de preparación es el mismo para la orientación transversal.</li>
	<li>Limpie a los especímenes en una solución preparada con 1.5% aniónico limpiador y lejía 5% para una duración de 20 minutos en un limpiador ultrasónico.</li>
	<li>
Incrustar las muestras de hueso cortical en resina acrílica (adjunto Polimetil metacrilato (PMMA)) para facilitar la maniobrabilidad y estabilidad.
	<ol>
<li>Para incrustar a las muestras, primero una capa las paredes del molde con un agente de liberación. Luego mezclar la resina y el endurecedor en un vaso, según las instrucciones dadas por el fabricante PMMA.</li>
		<li>Una de las muestras de hueso cortical corte poner en cada molde con la superficie a rayar hacia abajo. Vierta la mezcla de resina acrílica en estos preparados los titulares de la muestra. Deje que las muestras de la curación para una duración de hasta 4-5 h.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Cortar los especímenes incrustados en discos de espesor 5 mm, exponer la superficie a ser rayada, con la baja velocidad VI y montar las muestras en discos de metal (aluminio) de diámetro 34 mm y altura 5 mm con adhesivo de cianoacrilato.</li>
	<li>Envolver los ejemplares en un calibre empapado en Hanks equilibrada solución salina (HBSS) y refrigerar a 4 ° C hasta más de15,de uso16.</li>
</ol>3. pulido y protocolos
Nota: Un requisito previo a las pruebas de alta precisión a escalas pequeñas de longitud es una superficie lisa y nivelada de las muestras. Anteriores protocolos de pulido13,17 resultan en una gran rugosidad de la superficie, conduce a considerable imprecisión en la medida. El reto está en lograr la baja rugosidad de superficie promedio, menos de 100 nm, sobre una superficie de área grande 3 x 8 mm2 .
<ol><li>Moler a las muestras de hueso cortical bovino a temperatura ambiente usando grano 400 y 600 artículos de carburo de silicio grano por 1 min y 5 min, respectivamente. Mantener la amoladora pulidora a una velocidad base de 100 rpm y 150 rpm, respectivamente.</li>
	<li>Máquina de moler las muestras de hueso cortical bovino a temperatura ambiente en los papeles de grano 800 y 1.200 para una duración de 15 minutos para cada paso. Mantener la amoladora pulidora a una velocidad base de 150 rpm, cabeza velocidad de 60 rpm y de funcionamiento de 1 lb.</li>
	<li>Polaco los especímenes utilizando 3 μm, 1 μm y 0,25 μm diamante suspensión soluciones en el mismo orden en un duro, perforado, tela no tejida para una duración de 90 min a temperatura ambiente. Mantener la carga de operación de cada paso en 1 lb con velocidades de base y la cabeza de la pulidora en 300 rpm y 60 rpm, respectivamente.</li>
	<li>Pulir a la muestra con solución de suspensión de alúmina 0,05 μm en un paño suave, sintéticas rayón para una duración de 90 min en 1 lb con base y la cabeza de 100 rpm y 60 rpm, respectivamente, también a temperatura ambiente.</li>
	<li>Poner a las muestras en un vaso de precipitados con agua desionizada y puso el vaso en un baño ultrasónico durante 2 min entre cada paso consecutivo de esmerilado y pulido para limpiar los residuos y evitar la contaminación cruzada.</li>
	<li>Ver las características de superficies mediante microscopía óptica y proyección de imagen de SEM. Nota: Como se muestra en la figura 1, osteons, conductos de Havers, líneas de cemento, las regiones intersticiales y lagunas fueron observados en las muestras de hueso cortical bovino. Estos métodos imagenológicos revelan la naturaleza porosa, heterogénea y anisotrópica de las muestras de hueso cortical. Además, prueba avanzada de la superficie de las muestras fue realizado para evaluar la calidad de la superficie pulida. Una representante de la superficie pulida se muestra en la figura 2.</li>
</ol>4. micro arañazos prueba
Nota: Micro arañazos pruebas se realizan en las muestras de hueso cortical bovino pulido con un comprobador de memoria micro (figura 3). Un diamante penetrador Rockwell con un radio de punta de 200 μm y vértice el ángulo de 120° se utiliza para el estudio. El instrumento permite la aplicación de una carga progresiva lineal hasta 30 N. Además, el instrumento está equipado con sensores de alta precisión para medir la carga horizontal, la profundidad de penetración y emisiones acústicas generadas debido al rascado. El instrumento puede capturar los panoramas de surcos del rasguños.
<ol><li>Antes de la prueba de las muestras de hueso cortical, calibrar la punta del penetrador Rockwell con policarbonato como material de referencia3.</li>
	<li>Coloque a la muestra de hueso cortical en el escenario y elija el sitio de la prueba de scratch con el microscopio óptico creado integrado al módulo probador micro de la memoria.</li>
	<li>Aplicar una carga progresiva lineal con una carga inicial de 30 mN y final de la carga de 30 N. La velocidad de carga debe ajustarse a 60 N/min y la longitud de cero a 3 mm.</li>
	<li>Realizar series de pruebas de scratch en el longitudinal corto (figura 3b) muestras de hueso cortical bovino como se ilustra en la figura 3.</li>
	<li>Humedezca la superficie del espécimen con HBSS después de una serie de cada tres o cuatro cero pruebas para mantenerlos hidratados.</li>
	<li>Analizar los datos de prueba cero basados en mecánica de fractura no lineal, modelado2.</li>
</ol>

<ol><li>Akono, A., Reis, P., Ulm, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scratching+as+a+fracture+process%3A+From+butter+to+steel%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">Scratching as a fracture process: From butter to steel.</a> Phys Rev Lett. 106 (20), 204302-204304 (2011).</li>
<li>Akono, A. T., Randall, N. X., Ulm, F. J. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-materials-research/article/experimental-determination-of-the-fracture-toughness-via-microscratch-tests-application-to-polymers-ceramics-and-metals/77F2DBD39131579AD83C981C8BCB7C0B">Experimental determination of the fracture toughness via microscratch tests: application to polymers, ceramics, and metals.</a> J of Mat Res. 27 (02), 485-493 (2012).</li>
<li>Akono, A. T., Ulm, F. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164814000593">An improved technique for characterizing the fracture toughness via scratch test experiments.</a> Wear. 313 (1-2), (2014).</li>
<li>Akono, A. T. <a target="_blank" href="http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)NM.2153-5477.0000105">Energetic size effect law at the microscopic scale: Application to progressive-load scratch testing.</a> J of Nanomech and Micromech. 6 (2), (2016).</li>
<li>Kataruka, A., Mendu, K., Okeoghene, O., Puthuvelil, J., Akono, A. -T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microscopic+assessment+of+bone+toughness+using+scratch+tests%5BTitle%5D)+AND+%22Bone+Reports%22%5BJournal%5D)">Microscopic assessment of bone toughness using scratch tests.</a> Bone Reports. 6, 17-25 (2017).</li>
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<li>Mullins, L. P., Bruzzi, M. S., McHugh, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+microstructural+fracture+toughness+of+cortical+bone+using+indentation+fracture%5BTitle%5D)+AND+%22J+of+Biomech%22%5BJournal%5D)">Measurement of the microstructural fracture toughness of cortical bone using indentation fracture.</a> J of Biomech. 40 (14), 3285-3288 (2007).</li>
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<li>Islam, A., Dong, X. N., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanistic+modeling+of+a+nanoscratch+test+for+determination+of+in+situ+toughness+of+bone%5BTitle%5D)+AND+%22J+of+the+Mech+Bhvr+of+Biomed+Mat%22%5BJournal%5D)">Mechanistic modeling of a nanoscratch test for determination of in situ toughness of bone.</a> J of the Mech Bhvr of Biomed Mat. 5 (1), 156-164 (2012).</li>
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<li>Zioupos, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accumulation+of+in-vivo+fatigue+microdamage+and+its+relation+to+biomechanical+properties+in+ageing+human+cortical+bone%5BTitle%5D)+AND+%22J+of+Microscopy%22%5BJournal%5D)">Accumulation of in-vivo fatigue microdamage and its relation to biomechanical properties in ageing human cortical bone.</a> J of Microscopy. 201 (2), 270-278 (2001).</li>
<li>Yan, J., Clifton, K. B., Mecholsky, J. J., Reep, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fracture+toughness+of+manatee+rib+and+bovine+femur+using+a+chevron-notched+beam+test%5BTitle%5D)+AND+%22J+of+Biomech%22%5BJournal%5D)">Fracture toughness of manatee rib and bovine femur using a chevron-notched beam test.</a> J of Biomech. 39 (6), 1066-1074 (2006).</li>
<li>Xu, J., Rho, J. Y., Mishra, S. R., Fan, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+force+microscopy+and+nanoindentation+characterization+of+human+lamellar+bone+prepared+by+microtome+sectioning+and+mechanical+polishing+technique%5BTitle%5D)+AND+%22J+of+Biomed+Mat+ResPart+A%22%5BJournal%5D)">Atomic force microscopy and nanoindentation characterization of human lamellar bone prepared by microtome sectioning and mechanical polishing technique.</a> J of Biomed Mat ResPart A. 67 (3), 719-726 (2003).</li>
<li>Yan, J., Mecholsky, J. J., Clifton, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+tough+is+bone%3F+Application+of+elastic%E2%80%93plastic+fracture+mechanics+to+bone%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">How tough is bone? Application of elastic–plastic fracture mechanics to bone.</a> Bone. 40 (2), 479-484 (2007).</li>
<li>Ritchie, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+conflicts+between+strength+and+toughness%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">The conflicts between strength and toughness.</a> Nat Mater. 10 (11), 817-822 (2011).</li>
<li>Kim, K. T., Bažant, Z. P., Yu, Q. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10704-013-9821-8">Non-uniqueness of cohesive-crack stress-separation law of human and bovine bones and remedy by size effect tests.</a> Intrnl J of Frac. 181 (1), 67-81 (2013).</li>
<li>Bazant, Z. P., Planas, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBazant%2C+ZP+%22Fracture+and+size+effect+in+concrete+and+other+quasibrittle+materials%22">Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials</a>. 16, CRC press. (1997).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Micro pruebas scratch inducir una fractura de modo mixto3. Además, en las muestras de hueso cortical bovino longitudinal corto, se activan procesos de fractura como la sonda excava más profundo. Para un arañazo largo 3 mm, el volumen prismático sondeado es alrededor de 3.600 μm de largo, ancho 600 μm y μm 480 profundo. Este gran volumen ayudó a predecir una respuesta homogeneizada. Un modelo de mecánica de fractura no lineal nos permitió extraer la resistencia de la fractura basada en el J</em...

En este estudio, medimos la resistencia a la fractura de hueso compacto bovino de la mesoescala (osteons) a microescala (nivel laminar) utilizando una nueva técnica de rayado micro1,2,3,4, 5. Procesos de fractura incluyendo iniciación y crack propagación de grieta en el hueso son directamente influenciados por escalas de la longitud debido a los diferentes componentes estructurales y organización en los diferentes niveles de jerarquía. Por lo tanto, evaluar la fractura de hueso en escalas más pequeñas de la longitud es esencial al rendimiento una comprensión fundamental de la fragilidad del hueso. Por un lado, compacto de pruebas convencionales como tres puntos de flexión, tensión y flexión las pruebas se realizan comúnmente en bovino fémur y la tibia para la caracterización de la fractura en la escala macroscópica6,7, 8. por otro lado, para medir la resistencia a la fractura en la escala microscópica, fractura de indentación de Vicker fue propuesta9. Micro sangría se realizó con penetrador de Vicker para generar grietas radiales. Además, el método de dureza de fractura de nanoindentación de Oliver Pharr se realizó mediante un fuerte cubo esquina penetrador10.
En los estudios mencionados de nanoindentación en fractura dureza, se midieron las longitudes de las grietas así generadas por el observador y se utilizó un modelo semi-empírico para calcular la resistencia a la fractura. Sin embargo, estos métodos son irreproducible, subjetiva y los resultados dependen mucho de la habilidad del observador debido a la necesidad de medir la longitud de grieta utilizando microscopia óptica o microscopia electrónica. Además, se realizaron pruebas de cero en la escala de nano, pero el modelo matemático subyacente no está basado en la física ya que no tiene en cuenta la reducción en la fuerza debido a grietas y defectos11. Por lo tanto, existe una brecha de conocimiento: un método para la evaluación de la fractura a nivel microscópico basado en un modelo mecanicista basado en la física. Esta brecha de conocimiento motivó la aplicación de micro arañazos pruebas para compactar hueso centrándose primero en especímenes porcinos5. El estudio ahora se ha extendido aún más entender hueso cortical bovino.
Dos orientaciones diferentes de las muestras son posibles: longitudinal transversal y corta longitudinal. Transversal longitudinal corresponde a propiedades perpendiculares al eje longitudinal del fémur la fractura. Mientras, corta longitudinal corresponde a las propiedades de fractura a lo largo del eje longitudinal del fémur5. En este estudio, aplicamos pruebas scratch bovino huesos corticales para caracterizar la resistencia de la fractura del hueso en la dirección longitudinal corto.

<table><tbody><tr><td>sierra de cinta de diamante de mesa</td><td>McMaster Carr, Elmhurst, IL</td><td>Modelo&nbsp; C-40</td><td>Velocidad de la hoja de 40 mph; Dimensiones de la hoja: 37 pulgadas de diámetro, 0,02 pulgadas de ancho y 0,14 pulgadas de profundidad</td></tr><tr><td>Buehler Isomet 5000 Precision Cutter</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>112780</td><td>Velocidad de la cuchilla en el rango de 200-5000 rpm en 50 rpm inquirments; Hoja de oblea de diamante de 8 pulgadas</td></tr><tr><td>Branson 5800 Ultrasonic Cleanser</td> <td>(Through) Grainger, Peoria, Illinois</td><td>39J365</td><td>El baño ultrasónico Bransonic CPXH tiene una capacidad de tanque de 2.5 gal</td></tr><tr><td>Amoladora Buehler Ecomet 250 - Pulidora</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>497250 Placa</td><td>base de 8 pulgadas con un rango de velocidad de 10-500 rpm</td></tr><tr><td>Anton Paar, CSM Instruments Micro probador de rayado</td><td>Anton Paar Switzerland AG 163251</td><td></td><td>Plataforma compacta, sensor de emisión</td>acústica</tr><tr><td>Microscopio electrónico de barrido de propósito general JEOL 6060LV</td><td>JEOL USA, Inc., Peabody, MA</td><td></td><td>Microscopio electrónico de barrido ambiental que permite obtener imágenes a bajos niveles de vacío.</td></tr><tr><td>Philips XL30 ESEM FEG&nbsp;</td><td></td><td></td> El <td>funcionamiento en modo húmedo del instrumento permite obtener imágenes de muestras no conductoras sin alterarlas&nbsp;</td></tr><tr><td>Nombre</td><td>Company</td><td>Número de catálogo</td><td>Comentarios</strong</td></tr><tr><td>>Consumibles</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fémur bovino</td><td>L& M Matadero, Georgetown, IL</td><td></td><td>Especímenes bovinos maduros alimentados con maíz de 24 a 30 meses de edad.</td></tr><tr><td>Limpiador de precisión en polvo Alconox</td><td>Alconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 10603</td><td>1104-1</td><td>Biodegradable, no cáustico, libre de residuos</td></tr><tr><td>acrílicos Fundición de plástico acrílico</td> Ciencias <td>de la Microscopía Electrónica</td><td>24210-02</td> Papel abrasivo de <td>polimecrilato</td></tr><tr><td>CarbiMet SiC grano 400, 8 pulgadas, respaldado por PSA</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>36080400</td><td>Esmerilado - Abrasivo Papeles</td></tr><tr><td>CarbiMet SiC Papel abrasivo grano 600, 8 pulgadas, con respaldo PSA</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>36080600</td><td>Esmerilado - Papeles abrasivos</td></tr><tr><td>Discos MicroCut de grano 800, 8 pulgadas, con respaldo PSA</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>36080800</td><td>Esmerilado - Papeles abrasivos</td></tr><tr><td>Discos MicroCut grano 800, 8 pulgadas, respaldados por PSA</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>16081200</td><td>Esmerilado - Papeles abrasivos</td></tr><tr><td>Texmet P para rueda de 8'' PSA</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>407638</td><td>Paño de pulido</td></tr><tr><td>Micropaño de 8'' PSA</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td></td><td>407518 Paño de pulido</td></tr><tr><td>Meta di Supreme Suspensión de diamante policristalino, 3 &micro; m</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>406631</td><td>Suspensión de</td></tr><tr><td>pulido Meta Di Supreme Suspensión de diamante policristalino, 1 &micro; m</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>406630</td><td>Suspensión de</td></tr><tr><td>pulido Meta Di Supreme Suspensión de diamante policristalino, 0.25 &micro; m</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>406629</td><td>Suspensión de pulido</td></tr><tr><td>MasterPrep Suspensión de pulido, 0.05&micro; m</td><td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td><td>40-6377-032</td><td>Suspensión pulidora</td></tr><tr><td>HBSS, calcio, magnesio, rojo sin fenol</td><td>Solución tampón</td> de <td>14025126</td><td>Thermo Fisher Scientific</td></tr></tbody></table>

evaluación de la fragilidad del hueso cortical bovino utilizando pruebas de scratch

Fragility Assessment of Bovine Cortical Bone Using Scratch Tests

El hueso es un material complejo jerárquico con cinco niveles distintos de organización. Factores como el envejecimiento y las enfermedades como la osteoporosis aumentan la fragilidad del hueso, lo que es propensa a la fractura. Debido al gran impacto socio-económico de la fractura de hueso en nuestra sociedad, hay una necesidad de nuevas formas evaluar el desempeño mecánico de cada nivel jerárquico del hueso. Rigidez y la fuerza pueden ser sondeados en todas las escalas – nano - micro-, meso-, y macroscópico – evaluación de fractura ha hasta ahora se han limitado a pruebas macroscópicas. Esta limitación restringe nuestro entendimiento de la fractura de hueso y restringe el ámbito de laboratorio y estudios clínicos. En este estudio, investigamos la resistencia de la fractura del hueso de las microscópicas a las escalas de longitud mesoscópica usando las pruebas de scratch micro combinadas con la mecánica de fractura no lineal. Las pruebas se realizan en la orientación longitudinal corto en muestras de hueso cortical bovino. Se desarrolla un minucioso protocolo experimental y un número grande (102) de las pruebas se llevan a cabo para evaluar la resistencia a la fractura de las muestras de hueso cortical mientras que representa la heterogeneidad asociada a microestructura del hueso.

Microscopía de fuerza atómica fue utilizado para medir la rugosidad de la superficie pulida. Como regla general, la muestra califica como un bien pulido si la rugosidad es un orden de magnitud más pequeño que las características superficiales de interés. En este caso, la aspereza superficial medida de 60 nm en una superficie de μm 40 μm x 40 cae claramente dentro de este criterio.
La figura 4 muestr...

Este estudio evalúa la resistencia a la fractura del hueso cortical bovino a nivel sub-meso mediante pruebas microscópicas de cero. Se trata de un original, objetivo, riguroso, y reproducible método propuesto para probar la resistencia a la fractura debajo de la escala macroscópica. Aplicaciones potenciales están estudiando cambios en la fragilidad del hueso debido a enfermedades como la osteoporosis.

Evaluación de la fragilidad del hueso Cortical bovino utilizando pruebas de Scratch

Bone is a complex hierarchical material with five distinct levels of organization. Factors like aging and diseases like osteoporosis increase the ...

El objetivo general de este estudio es caracterizar el comportamiento fracturado del hueso cortical en la mesoescala mediante pruebas de rasguño microscópico. Este método puede ayudar a responder preguntas clave de los campos de la biomecánica y la mecánica de fracturas, como la fragilidad de los tejidos biológicos o la remodelación del hueso compacto. La principal ventaja de esta técnica es que es adecuada para ejemplares pequeños.Es riguroso, reproducible y es semidestructivo. Además, el método es objetivo porque nos basamos únicamente en mediciones de fuerza y profundidad. La demostración del procedimiento estará a cargo de Kavya Mendu, una estudiante de posgrado en mi laboratorio.Para comenzar este procedimiento, descongele los fémures congelados en un recipiente con agua durante aproximadamente dos horas a temperatura ambiente. A continuación, corte varios discos de unos 10-15 milímetros de grosor de la región de la diáfisis media con una sierra de cinta de diamante de mesa para producir muestras con un área de sección transversal uniforme del hueso cortical. Después de eso, use un kit de disección para eliminar cualquier tejido blando o carne adherida al hueso cortical.Corte las secciones transversales de los fémures con una hoja de oblea de diamante a baja velocidad a lo largo del eje longitudinal del hueso en condiciones húmedas para obtener secciones cúbicas múltiples y onduladas. A continuación, limpie las muestras en la solución de limpiador aniónico al 1,5% y lejía al 5% durante 20 minutos en un limpiador ultrasónico. A continuación, incruste las muestras de hueso cortical en resina acrílica para facilitar su manejo y estabilidad recubriendo primero las paredes del molde con un agente desmoldante.Luego, mezcla la resina acrílica y el endurecedor en un vaso de precipitados. Coloque uno de los especímenes de hueso cortical cortado en cada molde con la superficie a rascar hacia abajo. Vierta la mezcla de resina acrílica en estos portamuestras preparados.Elimine las burbujas de aire atrapadas durante el proceso de mezcla. Deje que los especímenes se curen por nosotros durante cuatro o cinco horas. Posteriormente, corte los especímenes incrustados en discos de cinco milímetros de espesor a baja velocidad exponiendo la superficie a rayar.A continuación, monte las muestras en los discos de aluminio de 34 milímetros de diámetro y cinco milímetros de altura utilizando adhesivo de cianoacrilato. Luego, envuelva los especímenes en un medidor impactado en HBSS. Y refrigere a cuatro grados centígrados hasta su nuevo uso.En este procedimiento, muela las muestras de hueso cortical bovino a temperatura ambiente utilizando papeles de carburo de silicio de grano 400 y 600 durante un minuto y cinco minutos respectivamente. Mantenga la pulidora amoladora a las velocidades base de 100 rpm y 150 rpm respectivamente. Después de eso, muela a máquina las muestras de hueso cortical bovino a temperatura ambiente en los papeles de grano 800 y 1200 durante 15 minutos en cada paso.Mantenga la pulidora amoladora a la velocidad base de 150 rpm, la velocidad del cabezal de 60 rpm y la carga operativa de una libra. Pula las muestras utilizando soluciones de suspensión de diamante de tres micrómetros, un micrómetro y 0,25 micrómetros en el mismo orden sobre una tela no tejida dura y perforada durante una duración de 90 cada una a temperatura ambiente. Mantenga la carga operativa para cada paso en una libra, con las velocidades base y principal de la pulidora a 300 rpm y 60 rpm respectivamente.Posteriormente, pula la muestra utilizando una solución de suspensión de alúmina de 0,05 micrómetros sobre un paño de rayón sintético suave durante 90 minutos a una libra, con una velocidad base y de cabeza de 100 rpm y 60 rpm respectivamente también a temperatura ambiente. El esmerilado y pulido de la muestra es crucial para producir la estructura plana sin alterar significativamente la microestructura. Entre cada paso consecutivo de esmerilado y pulido, coloque las muestras en un vaso de precipitados con agua diionizada y mantenga el vaso de precipitados en un baño ultrasónico durante dos minutos para limpiar el residuo y evitar la contaminación cruzada.A continuación, observe las características de la superficie con un microscopio óptico o imágenes SEM. Antes de la prueba de las muestras de hueso cortical, calibre la punta del indentador Rockwell con policarbonato. A continuación, coloque la muestra de hueso cortical en la platina y elija la prueba de vista de arañazo utilizando la configuración del microscopio óptico integrada en el módulo de prueba de microarañazos.A continuación, aplique una carga progresiva lineal con una carga inicial de 30 milinewtons y una carga final de 30 newtons. La velocidad de carga debe establecerse en 60 newtons por minuto y la longitud de rayado en tres milímetros. Es imperativo seleccionar una región de alta densidad para el hueso compacto.Deben evitarse las zonas cercanas al hueso esponjoso, que agrandan los microporos, ya que dan lugar a valores bajos de la resistencia a la fractura. A continuación, realice una serie de pruebas de rayado en las muestras cortas, longitudinales y de hueso cortical bovino. Humedece la superficie de la muestra con HBSS después de cada serie de tres o cuatro pruebas de rayado para mantenerlas hidratadas.Después de eso, analice los datos de la prueba de rayado basados en un modelado mecánico de fractura no lineal. Aquí se muestra una imagen de microscopía óptica del panorama de la arboleda de arañazos. Este es el gráfico correspondiente de la fuerza frente a la profundidad a lo largo de la arboleda de arañazos.La fuerza horizontal corresponde a la fuerza resistiva detectada por los sensores conectados a la etapa del micro probador de arañazos. Y la fuerza vertical corresponde a la fuerza lineal progresiva aplicada sobre la muestra de hueso cortical. Las imágenes SEM de la ranura de arañazos aquí muestran los micromecanismos como la deflexión de grietas, el puente de grietas, el puente de fibras y el astillado a 40X, 10, 000X, 2, 400X y 5, 000X.Al intentar el procedimiento de preparación de muestras, es importante controlar la humedad relativa y mantener las muestras húmedas en todo momento para evitar la deshidratación local. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otros métodos, como los experimentos de tomografía computarizada de rayos X, para responder a preguntas de adición como los micromecanismos de fractura a escala mesoscópica y microscópica. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo realizar pruebas microscópicas de fractura por rasguño en tejidos biológicos duros.

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