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Article de méthode

Évaluation de fragilité de l’OS Cortical Bovine à l’aide de Tests de Scratch

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DOI :

10.3791/56488

⸱

30 novembre 2017

 ,  ,  , 
1Department of Civil and Environmental Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign, 2Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign

Dans cet article

Résumé

Cette étude évalue la ténacité à la rupture de l’os cortical bovine au niveau sub-méso utilisant des examens microscopiques de zéro. Il s’agit d’un original, objectif, rigoureux, et reproductible méthode proposée pour sonder la ténacité à la rupture inférieure à l’échelle macroscopique. Applications potentielles étudient les changements dans la fragilité osseuse dues à des maladies comme l’ostéoporose.

Résumé

Bone est un matériau complex hiérarchique à cinq niveaux distincts de l’organisation. Des facteurs comme le vieillissement et les maladies comme l’ostéoporose augmentent la fragilité des os, ce qui en fait sujettes à rupture. En raison de l’impact socio-économique grande fracture osseuse dans notre société, il y a un besoin de nouvelles façons d’évaluer les performances mécaniques de chaque niveau hiérarchique de l’OS. Bien que rigidité et la résistance peuvent être sondées à toutes les échelles-nano-, micro-, méso-, et macroscopique – fracture évaluation a jusqu'à présent été limitée à tests macroscopiques. Cette restriction limite notre compréhension de la fracture de l’os et limite la portée des études cliniques et de laboratoire. Dans cette recherche, nous étudions la résistance à la rupture de l’OS la microscopique des échelles de longueur mésoscopique à l’aide de micro rayures tests combinés avec la mécanique non linéaire de la rupture. Les essais sont effectués dans le sens longitudinal court sur des spécimens de l’os cortical bovine. On élabore un plan expérimental méticuleux et un grand nombre (102) des tests sont effectués pour évaluer la ténacité des spécimens de la corticale osseuse tout en tenant compte de l’hétérogénéité associée à la microstructure osseuse.

Introduction

Dans cette étude, nous mesurons la ténacité à la rupture de l’OS compact bovin de la méso-échelle (osteons) à la micro-échelle (niveau lamellaire) en utilisant une nouvelle technique de grattage micro1,2,3,4, 5. Processus de rupture y compris initiation et le crack propagation des fissures dans les os sont directement influencés par les échelles de longueur en raison de l’organisation à différents niveaux de la hiérarchie et les différents constituants structures. Évaluer la fracture de l’os à plus petites échelles de longueur est donc essentiel de ce qui donne une compréhension fondamentale de la fragilité osseuse. D’une part, les tests conventionnels tels que la flexion trois points, compact de tension, et flexion sont couramment effectués sur bovin fémur et le tibia pour la caractérisation de la fracture à l’échelle macroscopique6,,7, 8. en revanche, pour mesurer la ténacité à l’échelle microscopique, fracture d’indentation du Vicker a proposé9. Indentation micro a effectué un pénétrateur de la Vicker pour générer des fissures radiales. En outre, la méthode Oliver Pharr nanoindentation fracture toughness a été réalisée à l’aide d’un cube sharp angle pénétrateur10.

Dans les études de ténacité fracture nanoindentation basée susmentionnées, les longueurs des fissures ainsi générées ont été mesurées par l’observateur et un modèle semi-empirique a servi à calculer la ténacité. Cependant, ces méthodes sont reproductibles, subjective, et les résultats dépendent fortement de la compétence de l’observateur en raison de la nécessité de mesurer la longueur de la fissure à l’aide de la microscopie optique ou microscope électronique à balayage. En outre, scratch tests ont été menés à l’échelle nanométrique, mais le modèle mathématique sous-jacente n’est pas basé sur la physique car il ne tient pas compte de la réduction des effectifs en raison de fissures et défauts11. Ainsi, il existe un écart de connaissances : une méthode d’évaluation de la fracture à l’échelle microscopique basée sur un modèle mécaniste basé sur la physique. Ce fossé du savoir motivé la candidature de micro rayures tests à compact OS en se concentrant d’abord sur des spécimens porcine5. L’étude a maintenant été étendue pour comprendre l’os cortical bovine.

Deux orientations différentes des spécimens sont possibles : longitudinale transversale et short longitudinale. Longitudinale transversale correspond pour fracturer les propriétés perpendiculaires à l’axe longitudinal du fémur. Considérant que, court longitudinal correspondant aux propriétés fracture le long de l’axe longitudinal du fémur5. Dans cette étude, nous appliquons essai de rayure à l’OS corticales de bovins pour caractériser la résistance à la rupture de l’os dans le sens longitudinal court.

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Protocole

Remarque : Le protocole décrit ici, suit les directives de protection des animaux de la Illinois Institutional Animal Care et utilisation.

1. l’échantillon des achats

  1. Recueillir des fémurs bovines fraîchement récoltés d’un département américain de l’Agriculture USDA-certifié abattoir et de les transporter dans des sacs en plastique hermétique dans une glacière.
    Remarque : Pour l’étude menée ici, fémurs ont recueilli des animaux qui ont été de 24 à 30 mois, nourris et pesait environ 1 000 - 1 100 livres.
  2. Geler les fémurs à –20 ° C jusqu’au début de la procédure de préparation d’échantillon. Cette température maintient les fémurs frais12,13,14.

2. coupe, nettoyage et intégration de spécimens

  1. Décongeler les fémurs congelés dans un récipient avec de l’eau pendant environ 2 h à température ambiante.
  2. Plusieurs disques environ 10-15 mm d’épaisseur, coupez la région Mid-diaphyse utilisant une scie à ruban table top diamond pour produire des spécimens avec uniforme transversale de l’os cortical.
  3. Utiliser une trousse de dissection pour enlever les tissus mous ou chair attachée à l’os cortical.
  4. Scie à coupe les sections efficaces des fémurs obtenues à l’étape 2.2 à l’aide d’une lame de diamant-wafering à faible vitesse dans des conditions humides le long de l’axe longitudinal de l’OS pour obtenir plusieurs sections à peu près cubiques.
    NOTE : Ici, seulement la préparation des échantillons et scratch tests effectués sur le court – spécimens longitudinales sont discutés. Toutefois, à l’exception de la direction de la coupe, la procédure de préparation reste la même pour l’orientation transversale.
  5. Nettoyer les spécimens dans une solution préparée selon 1,5 % anionique nettoyeur et l’eau de Javel 5 % pour une durée de 20 min dans un bain à ultrasons.
  6. Incorporer les spécimens de l’os cortical en résine acrylique (ci-après polyméthacrylate de méthyle (PMMA)) pour faciliter la maniabilité et stabilité.
    1. Pour incorporer les spécimens, tout d’abord enduire les parois du moule avec un démoulant. Puis mélanger la résine acrylique et le durcisseur dans un bécher, selon les instructions données par le fabricant PMMA.
    2. Un des spécimens couper l’os cortical placer dans chaque moule avec la surface pour être rayé vers le bas. Versez le mélange de résine acrylique dans ces préparé porte-spécimens. Laissez les spécimens guérir d’une durée de jusqu'à 4-5 h.
  7. Couper les échantillons embarqués en disque épais de 5 mm, exposer la surface à être rayé, en utilisant le ralenti vu et monter les spécimens sur disques de métal (aluminium) de diamètre 34 mm et hauteur 5 mm à l’aide de colle cyanoacrylate.
  8. Envelopper les spécimens dans une jauge imbibée dans Hanks Balanced Saline Solution (HBSS) et réfrigérer à 4 ° C jusqu’en outre utiliser15,16.

3. rectification et polissage des protocoles

Remarque : Une condition préalable à des tests de haute précision à longueur de petites échelles est une surface plane et horizontale de spécimens. Polissage des protocoles précédents13,17 entraîner une rugosité de surface importante, conduisant à une inexactitude importante dans la mesure. Le défi consiste à parvenir à faible rugosité de surface moyenne, inférieure à 100 nm, sur une surface de2 grande surface 3 x 8 mm.

  1. Moudre les spécimens de l’os cortical bovine à la température ambiante à l’aide de grains 400 et 600 livres de carbure de silicium grain pendant 1 min et 5 min, respectivement. Maintenir la meuleuse-polisseuse à base vitesse de 100 tr/min et 150 tr/min, respectivement.
  2. Machine à broyer les spécimens de l’os cortical bovine à température ambiante sur les papiers de grit 800 et 1 200 pour une durée de 15 min pour chaque étape. Maintenir la ponceuse-polisseuse à une vitesse de base de 150 tr/min, vitesse de tête de 60 t/mn et charge de 1 lb de fonctionnement.
  3. Polir les spécimens à l’aide de 0,25 µm diamant suspension solutions, 1 µm et 3 µm dans le même ordre sur un tissu non tissé, perforé et dur pour une durée de 90 min chacun, à température ambiante. Maintenir la charge d’utilisation pour chaque étape à 1 livre avec les vitesses de base et la tête de la polisseuse à 300 tr/min et 60 t/mn, respectivement.
  4. Polir le spécimen avec 0,05 µm alumine suspension solution sur un tissu de rayonne doux, synthétique pour une durée de 90 min à 1 lb avec base et tête de vitesse de 100 tr/min et 60 t/mn, respectivement, également à la température ambiante.
  5. Mettre les spécimens dans un bécher avec de l’eau désionisée et placer le bécher dans un bain ultrasonique pendant 2 min entre chaque étape consécutive de meulage et de polissage pour nettoyer les résidus et éviter toute contamination croisée.
  6. Découvre les caractéristiques de la surface à l’aide de la microscopie optique et imagerie SEM.
    Remarque : Comme indiqué dans la Figure 1, les osteons, les canaux de Havers, les lignes de ciment, régions interstitielles et les lacunes ont été observées sur les spécimens de l’os cortical bovine. Ces méthodes d’imagerie révèlent la nature poreuse, hétérogène et anisotrope de spécimens de l’os cortical. En outre, advanced surface examen des échantillons a été réalisée pour évaluer la qualité de la surface polie. Une surface polie représentative est illustrée à la Figure 2.

4. micro Test de grattage

NOTE : Micro rayures tests sont effectués sur les échantillons d’os cortical bovine poli à l’aide d’un testeur micro rayure (Figure 3). Un diamant avec pénétrateur de Rockwell avec un rayon de pointe de 200 µm et apex de l’angle de 120° est utilisé pour l’étude. L’instrument permet à l’application d’une charge linéaire progressive jusqu'à 30 N. En outre, l’instrument est équipé de capteurs de haute précision pour mesurer la charge horizontale, la profondeur de pénétration et emissions sonores générées en raison de la rayer. L’instrument peut capturer les panoramas des rainures gratter.

  1. Avant l’essai d’échantillons de l’os cortical, calibrer la pointe de pénétrateur de Rockwell en polycarbonate servant de référence matériel3.
  2. Placer le spécimen de la corticale osseuse sur la scène et choisir le site de test de grattage à l’aide du microscope optique mis en place intégré au module micro testeur de gratter.
  3. Appliquer une charge progressive linéaire avec une charge de départ de 30 mN et fin la charge de 30 N. Le taux de chargement devrait être fixé à 60 tr/min et la longueur de zéro à 3 mm.
  4. Effectuer la série d’essais de zéro sur le court longitudinale (Figure 3 b) des spécimens de l’os cortical bovine comme illustré à la Figure 3.
  5. Mouiller la surface de l’échantillon avec HBSS après une série de chaque trois ou quatre scratch tests pour les garder hydratés.
  6. Analyser les données de scratch test basées sur la mécanique de la rupture non linéaire modélisation2.

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Résultats

Microscopie à force atomique a été utilisée pour mesurer la rugosité de la surface polie. En règle générale, l’échantillon est considéré comme un bien poli si la rugosité est un ordre de grandeur plus petite que la surface présentant un intérêt. Dans ce cas, la rugosité de surface mesurée de 60 nm sur une superficie de µm de 40 µm x 40 relève clairement de ce critère.

La figure 4 illustre la force c...

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Discussion

Micro rayures tests induit une fracture mixte3. En outre, dans les spécimens de l’os cortical bovine longitudinale court, processus de rupture sont activés comme la sonde creuse plus profondément. Pour une égratignure longue de 3 mm, le volume prismatique a sondé est environ 3 600 µm de longueur, 600 µm de largeur et 480 µm profond. Cet important volume a aidé à prédire une réponse homogénéisée. Un modèle mécanique de rupture non linéaire nous a permis d’extraire la résistance à la rupture basée s...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par le Department of Civil et génie de l’environnement et la faculté d’ingénierie à l’Université de l’Illinois à Urbana Champaign. Nous reconnaissons le Ravindra Kinra et Kavita Kinra bourses pour soutenir les études supérieures de Kavya Mendu. Enquête de microscopie électronique à balayage a été réalisée dans les installations du laboratoire de recherche en matériaux Frederick Seitz et Beckman Institute à l’Université de l’Illinois à Urbana Champaign.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Scie à ruban diamantée de tableMcMaster Carr, Elmhurst, ILModèle  ; C-40Vitesse de la lame de 40 mph ; Dimensions de la lame : 37 pouces de diamètre, 0,02 pouce de large et 0,14 pouce de profondeur
Buehler Isomet 5000 Precision CutterBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044112780Vitesse de la lame dans la plage de 200 à 5000 tr/min en incréments de 50 tr/min ; lame de plaquette diamantée de 8 pouces
Branson 5800 Nettoyeur à ultrasons(à travers) Grainger, Peoria, Illinois39J365Le bain à ultrasons Bransonic CPXH a une capacité de réservoir de 2,5 gal
Buehler Ecomet 250 Grinder - PolisherBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044497250Plaque de base de 8 pouces avec une plage de vitesse de 10 à 500 tr/min
Anton Paar, CSM Instruments Micro testeur de rayuresAnton Paar Switzerland AG163251Plate-forme compacte, capteur d’émission acoustique
JEOL 6060LV microscope électronique à balayage à usage généralJEOL USA, Inc., Peabody, MAMicroscope électronique à balayage environnemental qui permet d’imager à de faibles niveaux de vide.
Philips XL30 ESEM FEG  ;Lefonctionnement en mode humide de l’instrument permet d’imager des échantillons non conducteurs sans les altérer.
NameCompanyCatalog NumberComments
Consumables
BovineFemur L& M Abattoir, Georgetown, ILSpécimens de bovins matures nourris au maïs, âgés de 24 à 30 mois.
Nettoyant de précision en poudre AlconoxAlconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 106031104-1Biodégradable, non caustique, sans résidus d’interférence
Moulage en plastiqueMicroscopie électronique Sciences24210-02Polyméthacrylate de méthyle
CarbiMet SiC Papier abrasif grain 400, 8 pouces, soutenu PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044Meulage 36080400- Abrasif Papiers
CarbiMet SiC Papier abrasif grain 600, 8 pouces, dos PSABuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 36080600Grinding - Papiers abrasifs
Disques MicroCut grain 800, 8 pouces, dos PSABuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080800Grinding - Papiers abrasifs
MicroCut Discs grain 800, 8 pouces, soutenu PSABuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004416081200Meulage - Papiers abrasifs
Texmet P Pour Meule 8'' PSABuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044407638 Chiffon depolissage
8'' Microcloth PSABuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044Chiffonde polissage
407518 Suspension en diamant polycristallin Meta Di Supreme, 3 µ ; mBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044406631Suspension de polissage
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 1 µ ; mBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044406630Suspension de polissage
Meta Di Supreme Suspension en diamant polycristallin, 0,25 & micro ; mBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044406629Suspension de polissage
MasterPrep Suspension de polissage, 0,05 & micro ; mBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004440-6377-032Suspension de polissage
HBSS, calcium, magnésium, sans rouge de phénoltampon 14025126Thermo FisherScientific
acrylique Solution

Références

  1. Akono, A., Reis, P., Ulm, F. Scratching as a fracture process: From butter to steel. Phys Rev Lett. 106 (20), 204302-204304 (2011).
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  4. Akono, A. T. Energetic size effect law at the microscopic scale: Application to progressive-load scratch testing. J of Nanomech and Micromech. 6 (2), (2016).
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Réimpressions et autorisations

Mots-clés

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