הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

הערכה השבריריות של שור קליפת העצם שקצרנו באמצעות בדיקות שריטה

9.1K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/56488

⸱

30 בנובמבר 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

במאמר זה

סיכום

מחקר זה מעריך שבר הקשיחות של שור קליפת העצם שקצרנו ברמות תת-meso באמצעות בדיקות שריטה מיקרוסקופיים. . זה מקורי, מטרה, קפדני, והציע שיטה לשחזור לחקור שבר קשיחות להלן הסולם מאקרוסקופית. יישומים אפשריים לומדים שינויים בתוך העצמות השבריריות עקב מחלות כמו אוסטיאופורוזיס.

תקציר

העצם הוא חומר הירארכי מורכבים עם חמש רמות שונות של הארגון. גורמים כמו הזדקנות ומחלות כמו אוסטיאופורוזיס להגדיל את השבריריות של העצם, שהופך אותו שבר מועדת. בשל ההשפעה הסוציו-אקונומי גדול של שבר בחברה שלנו, יש צורך עבור הרומן דרכים להעריך את ביצועי מכני של כל רמה היררכית של העצם. למרות קשיות וחוזק פתור-סולמות כל-ננו, מיקרו, meso-, מאקרוסקופית – הערכת שבר כה מרותק בדיקה מאקרוסקופית. מגבלה זו מגבילה את ההבנה שלנו של שבר, מגבילה את היקף מעבדה ומחקרים קליניים. במחקר הזה, אנחנו חוקרים את ההתנגדות שבר של עצם מיקרוסקופיים כדי המאזניים אורך mesoscopic באמצעות מיקרו בדיקות שריטה בשילוב עם מכניקת השבר לא-ליניאריות. הבדיקות מבוצעות בכיוון האורך קצר על שור קליפת העצם שקצרנו דגימות. פרוטוקול נסיוני מוקפד מפותחת, מספר גדול (102) של הבדיקות נערכות כדי להעריך את הקשיחות שבר של עצם קורטיקלית דגימות תוך לדעה הטרוגניות המשויך עצם מיקרו.

מבוא

במחקר זה, אנו מודדים את הקשיחות שבר של עצם קומפקטית שור mesoscale (osteons) כדי microscale (מחליפי רמה) באמצעות הרומן טכניקה מאפס מיקרו1,2,3,4, 5. תהליכי שבר כולל הפצת החניכה, קראק קראק בתוך עצם מושפעים ישירות פיסיקליות בשל המרכיבים המבניים השונים של הארגון ברמות שונות של ההיררכיה. לכן, הערכת שבר-פיסיקליות קטן יותר הוא חיוני מניב הבנה בסיסי של העצמות השבריריות. מצד אחד, בחינות קונבנציונאלי השלשה כיפוף, קומפקטית מתח, flexure הבדיקות נערכות בדרך כלל על עצם הירך שור, שוקה עבור אפיון שבר סולם מאקרוסקופית6,7, 8. מצד שני, כדי למדוד את הקשיחות שבר את המשקל מיקרוסקופיים, שבר כניסה של Vicker היה המוצע9. כניסה מיקרו בוצעה באמצעות indenter של Vicker כדי להפיק החריצים הרדיאלים. יתר על כן, שיטת קשיחות אוליבר פארס שבר nanoindentation בוצעה באמצעות קוביית חדה לפינה indenter10.

במחקרים לעיל nanoindentation המבוסס על שבר קשיחות, אורך הסדקים וכך נוצר נמדדו על ידי המתבונן, מודל ויצאקר שימש כדי לחשב את הקשיחות שבר. עם זאת, שיטות אלה הן irreproducible, סובייקטיבי, התוצאות הן תלויות במידה רבה מיומנות של הצופה בשל הצורך למדוד את אורך הסדק באמצעות מיקרוסקופ אופטי או מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. יתר על כן, שריטה הבדיקות נערכו ברמת הנאנו-, אך המודל המתמטי המשמש כבסיס אינו מבוסס פיזיקה כפי שהוא אינו חשבון להקטנת כוח עקב סדקים פגמים11. לפיכך, קיים פער הידע: שיטה להערכת שבר ברמה המיקרוסקופית מבוסס על מודל מכניסטית פיזיקה מבוסס. את הפער הזה של ידע שהניעו את היישום של בדיקות שריטה מיקרו קומפקטי העצם על ידי התמקדות תחילה דגימות חזירי5. המחקר עכשיו הוארך עוד יותר להבין את עצם קורטיקלית שור.

שתי נטיות שונות של דגימות אפשריים: רוחבי האורך וקצר האורך. רוחבי האורך מקביל שבר מאפיינים בניצב לציר האורך של עצם הירך. הואיל קצר האורך המתאים למאפיינים שבר לאורך ציר האורך של עצם הירך5. במחקר זה, אנו מיישמים בדיקות טיוטה לעצמות קורטיקלית שור לאפיון התנגדות שבר של העצם בכיוון האורך קצר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

הערה: הפרוטוקול המתואר כאן, מנחים את טיפול בבעלי חיים של אילינוי מוסדיים חיה הדאגה שימוש הוועדה.

1. דגימה רכש

  1. לאסוף עצמות הירך שור שנקטפו זה עתה ארצות הברית מחלקת החקלאות-מוסמך בית מטבחיים ולהעביר אותם בשקיות פלסטיק אוויר חזק בתוך צידנית.
    הערה: לצורך המחקר שנערך כאן, עצמות הירך נאספו מחיות שהיו 24-30 חודשים זקן, איך קראו לו, שנשקל כ- 1000 - 1100 ק ג.
  2. להקפיא את עצמות הירך ב- –20 ° C עד תחילת ההליך הכנה הדגימה. טמפרטורה זו שומרת את עצמות הירך טריים12,13,14.

2. חיתוך, ניקוי, הטבעה דגימות

  1. להפשיר את עצמות הירך קפוא במיכל עם מים במשך כ 2 h בטמפרטורת החדר.
  2. חותכים מרובות דיסקים בערך 10-15 מ"מ עובי מאזור diaphysis אמצע בעזרת הלהקה יהלום העליון ודוקטור לייצר דגימות בשטח חתך אחיד של עצם קורטיקלית.
  3. להשתמש ערכת לנתיחה כדי להסיר כל רקמות רכות או בשר המצורפת עצם קורטיקלית.
  4. גזור חתכי רוחב של עצמות הירך שהושג בשלב 2.2 בעזרת סכין יהלום-wafering על מהירות נמוכה ראיתי בתנאים רטובים לאורך ציר האורך של העצם כדי לקבל מספר מקטעים cuboidal בערך.
    הערה: כאן, רק הכנה הדגימה, שריטה ניסויי על הקצר – דגימות האורך הנדונים. עם זאת, מלבד הכיוון של חיתוך, בהליך הכנה נשאר זהה עבור כיוון הדפסה לרוחב.
  5. לנקות את דגימות פתרון המוכנים 1.5% anionic מנקה, אקונומיקה 5% עבור משך זמן של 20 דקות בניקוי אולטראסוני.
  6. להטביע את דגימות קליפת העצם שקצרנו שרף אקרילי (בזאת polymethyl methacrylate (PMMA)) כדי להקל על שליטה ויציבות.
    1. כדי להטביע את דגימות, תחילה מעיל הקירות של העובש עם סוכן שחרור. ואז מערבבים את שרף אקרילי ואת במינראליים בגביע, לפי ההוראות שניתנו על ידי היצרן PMMA.
    2. מניחים אחד מהדוגמאות לחתוך עצם קורטיקלית כל עובש עם השטח כדי להתגרד פונה כלפי מטה. יוצקים את תערובת שרף אקרילי הללו מוכנים מחזיקי הדגימה. לתת דגימות תרופה עבור משך זמן של עד 4-5 שעות.
  7. לחתוך את דגימות מוטבע לתוך דיסקים בעובי 5 מ מ, חשיפת פני השטח כדי להיות שרוט, באמצעות המהירות נמוכה ראה והר דגימות על מתכת (אלומיניום) דיסקים של קוטר 34 מ מ, גובה 5 מ מ בעזרת דבק מגע דבק.
  8. עוטף את דגימות לאמוד ספוג ב הנקס מאוזנת מלוחים פתרון (HBSS), ומעבירים ב 4 ° C עד נוסף לשימוש15,16.

3. השחזה וליטוש פרוטוקולים

הערה: מהווה דרישה מוקדמת דיוק גבוהה בדיקות-פיסיקליות קטן הוא משטח חלק, המכוון של דגימות. הקודם ליטוש פרוטוקולים13,17 לגרום חספוס פני שטח גדול, שמוביל ניכר חוסר דיוק במדידה. האתגר טמון להשגת נמוך הממוצע חספוס בפני השטח, פחות מ- 100 ננומטר, על פני שטח גדול 3 x 8 מ מ2 משטח.

  1. לטחון את דגימות שור קליפת העצם שקצרנו בטמפרטורת החדר באמצעות 400 חצץ וניירות 600 חצץ סיליקון קרביד 1 דקות, 5 דקות, בהתאמה. לשמור על מטחנת-לטש במהירויות הבסיס של 100 סל"ד ו- 150 סל ד, בהתאמה.
  2. מכונת לטחון את דגימות שור קליפת העצם שקצרנו בטמפרטורת החדר בכותרות העיתונים חצץ 800 ל 1200 עבור משך זמן של 15 דקות עבור כל שלב. לשמור על מטחנת-לטש במהירות הבסיס של 150 סל ד, ראש מהירות של 60 סל ד, והפעלת עומס של 1 ק ג.
  3. פולנית דגימות באמצעות מיקרומטר 3, 1 מיקרומטר ופתרונות 0.25 מיקרומטר יהלום ההשעיה באותו סדר על בד קשה, מחורר, ארוגים עבור משך זמן של 90 דקות כל בטמפרטורת החדר. שמור על העומס הפעלה עבור כל שלב ב- £ 1 עם מהירויות הבסיס הראשי של מלטש ב 300 סל ד ו 60 סל ד, בהתאמה.
  4. פולנית הדגימה באמצעות מיקרומטר 0.05 אלומינה השעיית פתרון על מטלית רכה, סינתטי זהורית עבור משך זמן של 90 דקות ב- 1 ק ג עם הבסיס ואת הראש מהירות של 100 סל"ד ו- 60 סל ד, בהתאמה, גם בטמפרטורת החדר.
  5. הכניסו את דגימות גביע עם מים מיוננים ולשים את הספל באמבט אולטרא למשך 2 דקות בין כל שלב רצופים של השחזה וליטוש כדי לנקות את השאריות ולמנוע זיהום לחצות.
  6. להציג את תכונות פני השטח באמצעות מיקרוסקופ אופטי והדמיה SEM.
    הערה: כפי שמוצג באיור 1, osteons, תעלות הברס, מלט קווים, אזורים אינטרסטיציאליות, ולקונות נצפו על דגימות שור קליפת העצם שקצרנו. שיטות הדמיה אלה חושפים הטבע נקבובי, הטרוגניות, אניסוטרופי של קליפת העצם שקצרנו דגימות. בנוסף, משטח מתקדם בחינת דגימות בוצעה כדי להעריך את טיב פני השטח מלוטש. משטח מלוטש נציג מוצג באיור2.

4. מיקרו מבחן שריטה

הערה: מיקרו שריטה בדיקות מבוצעות על דגימות עצם קורטיקלית שור מלוטשת באמצעות כבודק מאפס מיקרו (איור 3). יהלום רוקוול indenter עם רדיוס עצה של מיקרומטר 200 וזווית פיסגה של 120° משמש לצורך המחקר. המכשיר מאפשר היישום של עומס הדרגתית ליניארית עד 30 ש יתר על כן, המכשיר מצויד עם חיישנים דיוק גבוהה כדי למדוד את עומס אופקי עומק החדירה, אקוסטית פליטת שנוצר עקב גירוד. המכשיר ניתן ללכוד את פנורמות של חריצים מאפס.

  1. לפני בדיקה של קליפת העצם שקצרנו דגימות, לכייל את הטיפ indenter רוקוול באמצעות פוליקרבונט כמו גשמי הפניה3.
  2. מקם את הדגימה קליפת העצם שקצרנו על הבמה ובחרו האתר של מבחן שריטה באמצעות מיקרוסקופ אופטי להגדיר משולב במודול מיקרו הבוחן מאפס.
  3. החל עומס הדרגתית ליניארי עם עומס התחלה של 30 עומס mN ו- end של 30 ש יש להגדיר את קצב הטעינה N 60/min, האורך מאפס עד 3 מ מ.
  4. לבצע סדרה של בדיקות לגרד קצר האורך (איור 3b) דגימות שור קליפת העצם שקצרנו כמופיע באיור3.
  5. רטוב המשטח הדגימה HBSS לאחר סט של בדיקות שריטה כל שלושה-ארבעה לשמור אותם להתייבש.
  6. לנתח את הנתונים שריטה מבחן המבוסס על מכניקת השבר לא לינאריות דגמי2.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

מיקרוסקופ כוח אטומי שימש כדי למדוד את החספוס של פני השטח מלוטש. כלל אצבע, הדגימה נחשב אחד שחדריהם אם חספוס פני השטח היא בסדר גודל קטן יותר תכונות פני השטח של ריבית. במקרה זה, חספוס פני השטח נמדד של 60 ננומטר על פני שטח מיקרומטר 40 µm x 40 בבירור נופל בתוך קריטריון זה.

איור 4 מראה הכוח נגד חדירה לעומק גרפים של נציג בדיקות שריטה על הדגימה קצר האורך שור קליפת העצם שקצרנו. בעוד הכוח האנכי הוא עומס מצטבר...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

בדיקות שריטה מיקרו לגרום מצב מעורב שבר3. יתר על כן, בדגימות האורך קצר בשתל קליפת העצם שקצרנו שור, תהליכי שבר מופעלים כמו החללית חופרת עמוק יותר. עבור שריטה ארוכה 3 מ מ, האחסון מנסרתיים שנבדק הוא בסביבות 3600 מיקרומטר ארוך, רחב 600 מיקרומטר ו 480 מיקרומטר עמוק. אחסון גדול זה עזר בחיזוי לתגובה homogenized. מודל מכניקת שבר שאינו ליניארי אפשרו לנו לחלץ את ההתנגדות שבר על סמך את J-חישוב נפרד-1,-2,-4.<...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים אין לחשוף.

תודות

עבודה זו נתמכה על ידי המחלקה של האזרחים, הנדסה סביבתית, המכללה האקדמית להנדסה-אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין. אנו להכיר את Kinra רבינדרה ואחווה Kinra משגכ שלףכחףגלכ לתמיכה את הלימודים לתואר שני של Kavya Mendu. סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים החקירה בוצעה במתקנים של פרדריק זייץ חומר במעבדת המחקר, מכון בקמן אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מסור להקת יהלום שולחנימקמאסטר קאר, אלמהרסט, ILדוגמנית  מהירות להב C-40של 40 קמ"ש; מידות הלהב: קוטר 37 אינץ', רוחב 0.02 אינץ' ועומק 0.14 אינץ'
Buehler Isomet 5000 Precision CutterBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044112780מהירות להב בטווח של 200-5000 סל"ד במרווחים של 50 סל"ד; להב רקיק יהלום 8 אינץ'
Branson 5800 Ultrasonic Cleanser(דרך) Grainger, פאוריה, אילינוי39J365אמבט קולי Bransonic CPXH בעל קיבולת מיכל של 2.5 גל
Buehler Ecomet 250 Grinder - PolisherBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044497250צלחת בסיס 8 אינץ' עם טווח מהירות של 10-500 סל"ד
אנטון פאר, CSM Instruments בודק שריטות מיקרואנטון פאר שוויץAG 163251פלטפורמה קומפקטית, חיישן פליטה אקוטסטי
JEOL 6060LV מיקרוסקופ אלקטרונים סורק לשימוש כלליJEOL USA, Inc., Peabody, MAמיקרוסקופ אלקטרונים סורק סביבתי המאפשר הדמיה ברמות ואקום נמוכות
פיליפס XL30 ESEM FEG FEIעבודה במצב רטוב של המכשיר מאפשרת הדמיה של דגימות לא מוליכות מבלי לשנות אותן 
שםחברהמספר קטלוגיתגובות
חומרים מתכלים
בקר עצם הירךL& M בית מטבחיים, ג'ורג'טאון, אילינויניזון מתירס, דגימות בקר בוגרות בנות 24-30 חודשים.
אבקת מנקה דיוקAlconox Alconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 106031104-1מתכלה, לא קאוסטי, ללא שאריות
אקריליק יציקת פלסטיקמדעי מיקרוסקופיהאלקטרונית 24210-02פולימתיל מתאקרילט
CarbiMet SiC נייר שוחק 400 חצץ, 8 אינץ', מגובה PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080400שחיקה - שוחקים ניירות
CarbiMet SiC נייר שוחק 600 חצץ, 8 אינץ ', מגובה PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080600השחזה - ניירות שוחקים
דיסקי MicroCut 800 חצץ, 8 אינץ ', מגובה PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080800 שחיקה - ניירות שוחקים
דיסקי MicroCut 800 חצץ, 8 אינץ ', מגובה PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004416081200שחיקה - ניירות שוחקים
Texmet P עבור גלגל 8 אינץ' PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044407638בד ליטוש
8 אינץ' מיקרו-בדPSA Buehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044407518בד ליטוש
Meta Di Supreme מתלה יהלום פוליקריסטלי, 3 ומיקרו; mBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044מתלהליטוש
406631 Meta Di Supreme מתלה יהלום פולי-קריסטלי, 1 ומיקרו; mBuehler, 41 Waukegan Rd, לייק בלוף, IL 60044406630מתלה ליטוש
Meta Di Supreme מתלה יהלום פולי-קריסטלי, 0.25 ומיקרו; mBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044406629מתלי ליטוש
MasterPrep מתלי ליטוש, 0.05 ומיקרו; mBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004440-6377-032מתלה ליטוש
HBSS, סידן, מגנזיום, ללא פנול אדוםThermo Fisher Scientific14025126 Buffer Solution
חברת אלקטרונים

מקורות

  1. Akono, A., Reis, P., Ulm, F. Scratching as a fracture process: From butter to steel. Phys Rev Lett. 106 (20), 204302-204304 (2011).
  2. Akono, A. T., Randall, N. X., Ulm, F. J. Experimental determination of the fracture toughness via microscratch tests: application to polymers, ceramics, and metals. J of Mat Res. 27 (02), 485-493 (2012).
  3. Akono, A. T., Ulm, F. J. An improved technique for characterizing the fracture toughness via scratch test experiments. Wear. 313 (1-2), (2014).
  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).
  5. Kataruka, A., Mendu, K., Okeoghene, O., Puthuvelil, J., Akono, A. -T. Microscopic assessment of bone toughness using scratch tests. Bone Reports. 6, 17-25 (2017).
  6. Melvin, J. W., Evans, F. G. Crack propagation in bone. ASME Biomech Symp. , New York. (1973).
  7. Norman, T. L., Vashishth, D., Burr, D. B. Effect of groove on bone fracture toughness. J of Biomech. 25 (12), 1489-1492 (1992).
  8. Behiri, J. C., Bonfield, W. Crack velocity dependence of longitudinal fracture in bone. J of Mat Sc. 15 (7), 1841-1849 (1980).
  9. Mullins, L. P., Bruzzi, M. S., McHugh, P. E. Measurement of the microstructural fracture toughness of cortical bone using indentation fracture. J of Biomech. 40 (14), 3285-3288 (2007).
  10. Harding, D. S., Oliver, W. C., Pharr, G. M. Cracking during nanoindentation and its use in the measurement of fracture toughness. MRS Proceedings. 356, Cambridge University Press. 663-668 (1994).
  11. Islam, A., Dong, X. N., Wang, X. Mechanistic modeling of a nanoscratch test for determination of in situ toughness of bone. J of the Mech Bhvr of Biomed Mat. 5 (1), 156-164 (2012).
  12. McAlden, R. W., McGeogh, J. A., Barker, M. B., Court-Brown, C. M. Age-related changes in the tensile properties of cortical bone: the relative importance of changes in porosity, mineralization and microstructure. J. Bone Joint Surg. 75, 1193-1205 (1993).
  13. Zioupos, P., Gresle, M., Winwood, K. Fatigue strength of human cortical bone: age, physical, and material heterogeneity effects. J of Biomed Mat Res Part A. 86 (3), 627-636 (2008).
  14. Linde, F., Sørensen, H. C. F. The effect of different storage methods on the mechanical properties of trabecular bone. J of Biomech. 26 (10), 1249-1252 (1993).
  15. Zioupos, P. Accumulation of in-vivo fatigue microdamage and its relation to biomechanical properties in ageing human cortical bone. J of Microscopy. 201 (2), 270-278 (2001).
  16. Yan, J., Clifton, K. B., Mecholsky, J. J., Reep, R. L. Fracture toughness of manatee rib and bovine femur using a chevron-notched beam test. J of Biomech. 39 (6), 1066-1074 (2006).
  17. Xu, J., Rho, J. Y., Mishra, S. R., Fan, Z. Atomic force microscopy and nanoindentation characterization of human lamellar bone prepared by microtome sectioning and mechanical polishing technique. J of Biomed Mat ResPart A. 67 (3), 719-726 (2003).
  18. Yan, J., Mecholsky, J. J., Clifton, K. B. How tough is bone? Application of elastic–plastic fracture mechanics to bone. Bone. 40 (2), 479-484 (2007).
  19. Ritchie, R. O. The conflicts between strength and toughness. Nat Mater. 10 (11), 817-822 (2011).
  20. Kim, K. T., Bažant, Z. P., Yu, Q. Non-uniqueness of cohesive-crack stress-separation law of human and bovine bones and remedy by size effect tests. Intrnl J of Frac. 181 (1), 67-81 (2013).
  21. Bazant, Z. P., Planas, J. Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. 16, CRC press. (1997).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

הערכה השבריריות של שור קליפת העצם שקצרנו באמצעות בדיקות שריטה
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.