Deze studie analyseert de breuk-taaiheid van boviene corticaal bot op de sub-meso-niveaus met behulp van microscopisch kleine kras tests. Dit is een originele, objectieve, rigoureus, en reproduceerbare methode voorgesteld om sonde breuk-taaiheid beneden de macroscopische schaal. Mogelijke toepassingen zijn wijzigingen studeren in bot kwetsbaarheid als gevolg van ziekten zoals osteoporose.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Beoordeling van de kwetsbaarheid van boviene corticaal bot met behulp van kras Tests
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Bot is een complexe hiërarchische materiaal met vijf verschillende niveaus van de organisatie. Factoren zoals de veroudering en ziekten zoals osteoporose vergroten de kwetsbaarheid van bot, waardoor het gevoelig voor breuk. Als gevolg van de grote sociaal-economische impact van botbreuk in onze samenleving is er een behoefte aan nieuwe manieren om te beoordelen van de mechanische prestaties van elk hiërarchisch niveau van bot. Hoewel stijfheid en sterkte kunnen worden bestudeerd op alle schalen – van nano-, micro-, meso-, en macroscopische-fractuur beoordeling tot nu toe gebleven tot macroscopische testen beperkt heeft. Deze beperking beperkt ons begrip van botbreuk en beperkt het toepassingsgebied van laboratorium- en klinische studies. In dit onderzoek onderzoeken we de weerstand van de fractuur van het bot van de microscopische aan de mesoscopische lengte schalen met behulp van micro kras tests gecombineerd met niet-lineaire breukmechanica. De tests worden uitgevoerd in de korte longitudinale richting op boviene corticaal bot monsters. Een zorgvuldige experimenteel protocol is ontwikkeld en een groot aantal (102) tests worden uitgevoerd om te kunnen beoordelen van de breuk-taaiheid van corticaal bot specimens terwijl de boekhouding voor de heterogeniteit bot microstructuur is gekoppeld.
Inleiding
In dit onderzoek meten we de breuk-taaiheid van boviene compact bot uit de MESOSCHAAL (osteons) naar de microscale (lamellair niveau) met behulp van een nieuwe micro kras techniek1,2,3,4, 5. Fractuur procédés met inbegrip van spleet initiatie en spleet propagatie in bot worden rechtstreeks beïnvloed door lengte schalen als gevolg van de verschillende structurele bestanddelen en de organisatie op verschillende niveaus van de hiërarchie. Beoordeling van botbreuk op kleinere lengte schalen is daarom essentieel om de opbrengst van een fundamenteel begrip van bot kwetsbaarheid. Aan de ene kant, conventionele proeven zoals de drie-punt buigen, compacte spanning, en flexure tests worden vaak uitgevoerd op runderen bovenbeen en onderbeen voor de karakterisering van de breuk op de macroscopische schaal6,7, 8. aan de andere kant, voor het meten van de breuk-taaiheid op de microscopische schaal, Vicker de inspringing breuk was voorgestelde9. Micro inspringing werd uitgevoerd met behulp van de Vicker van indenter voor het genereren van radiale scheuren. Bovendien was de Oliver Pharr nanoindentation fractuur taaiheid methode uitgevoerd met behulp van een scherpe kubus hoek indenter10.
In de bovenstaande nanoindentation gebaseerd fractuur taaiheid studies, de lengtes van de aldus opgewekte scheuren werden gemeten door de waarnemer en een semi-empirische model werd gebruikt voor het berekenen van de breuk-taaiheid. Echter, deze methoden zijn irreproducible, subjectieve, en de resultaten zijn sterk afhankelijk van de waarnemer vaardigheid als gevolg van de noodzaak voor het meten van de lengte van de spleet met behulp van optische microscopie of scanning elektronen microscopie. Bovendien kras tests werden uitgevoerd op de nano-schaal, maar de onderliggende wiskundige model is niet fysica gebaseerde aangezien het houdt geen rekening met de vermindering van kracht als gevolg van scheuren en gebreken van11. Dus, een kloof van kennis bestaat: een methode voor de beoordeling van de fractuur op microscopisch niveau gebaseerd op een fysica gebaseerde mechanistisch model. Deze kloof van kennis gemotiveerd de toepassing van micro kras tests op compact bot door eerst te focussen op varkens specimens5. De studie heeft nu verder uitgebreid om runderen corticaal bot te begrijpen.
Twee verschillende oriëntaties van de specimens zijn mogelijk: longitudinale gekanteld en korte longitudinale. Longitudinaal transversaal komt overeen om eigenschappen loodrecht op de lengteas van het dijbeen breuk. Overwegende dat korte longitudinale komt overeen met de eigenschappen van de breuk langs de longitudinale as van de dijbeen-5. In deze studie passen we kras testen aan runderen corticale botten te karakteriseren van het bot fractuur weerstand in de korte lengterichting.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Opmerking: Het protocol hier beschreven, volgt de richtsnoeren van de verzorging van de dieren van het Illinois institutionele dier zorg en gebruik Comité.
1. model overheidsopdrachten
- Vers geoogste boviene dijbeen van een afdeling van de Verenigde Staten van landbouw USDA-gecertificeerde slachthuis verzamelen en transporteren in kunststof luchtdicht zakken in een koeler.
Opmerking: Voor de studie hier, dijbeen werden verzameld uit dieren die 24 tot 30 maanden oud, Cornfed en woog ongeveer 1.000 - 1.100 ponden werden. - Bevriezen van het dijbeen op -20 ° C tot de start van het specimen voorbereiding procedure. Deze temperatuur houdt de dijbeen vers12,13,14.
2. snijden, schoonmaak en inbedding van de Specimens
- De bevroren dijbeen in een container met water voor ongeveer 2 uur op kamertemperatuur ontdooien.
- Meerdere schijven ongeveer 10-15 mm dik gesneden uit de regio van de mid diaphysis met behulp van een tabel top diamant lintzaag tot exemplaren met uniforme oppervlakte van de dwarsdoorsnede van de corticaal bot.
- Gebruik een dissectie kit te verwijderen van een weke delen of vlees gekoppeld aan de corticaal bot.
- Knippen de doorsneden van de dijbeen verkregen in stap 2.2 met behulp van een mes diamond-wafering op een lage snelheid zag onder natte omstandigheden langs de longitudinale as van het bot te verkrijgen van meerdere ruwweg cuboidal secties.
Opmerking: Hier, alleen specimen voorbereiding en kras tests die worden uitgevoerd op de korte-longitudinale specimens worden besproken. Echter, met uitzondering van de richting van het snijden, de voorbereiding procedure blijft hetzelfde voor de dwarse richting. - De modellen in een oplossing bereid met behulp van 1,5% anionische schoner en 5% bleekwater schoon voor een duur van 20 minuten in een ultrasone reiniger.
-
Insluiten van de specimens corticaal bot in acryl hars (hierin polymethylmethacrylaat (PMMA)) voor het gemak van de behandeling en stabiliteit.
- Als u wilt insluiten de specimens, jas eerst de muren van de schimmel met een release agent. Meng de acryl hars en de verharder in een bekerglas, volgens de instructies van de fabrikant PMMA.
- Plaats een van de monsters gesneden corticaal bot in elke mal met de oppervlakte te krassen beneden zijn gericht. Giet de acryl hars mix in deze bereid specimen houders. Laat de specimens voor een duur van maximaal 4-5 uur genezen.
- Snijd de ingesloten specimens in 5-mm dikke schijven, bloot de oppervlakte te krassen, met behulp van de lage snelheid zag en monteren van de specimens aan metaal (aluminium) schijven met diameter 34 mm en hoogte 5 mm met Cyanoacrylaat lijm.
- Wikkel de specimens in een graadmeter gedrenkt in Hanks Balanced Saline oplossing (HBSS) en koelkast bij 4 ° C tot verder gebruik15,16.
3. slijpen en polijsten van protocollen
Nota: Een eerste vereiste voor het hoge-precisie testen op kleine lengte schalen is een glad en genivelleerd oppervlak van specimens. Eerdere protocollen polijsten13,17 resulteren in een grote oppervlakte ruwheid, wat leidt tot aanzienlijke onjuistheden in de meting. De uitdaging ligt bij het bereiken van de lage gemiddelde oppervlakteruwheid, minder dan 100 nm, over een groot gebied 3 x 8 mm2 oppervlak.
- Het malen van de boviene corticaal bot monsters bij kamertemperatuur met korrel 400 en 600 grit siliciumcarbide papers voor 1 min en 5 min, respectievelijk. De grinder-polijstmachine bij base snelheden van 100 rpm en 150 rpm, respectievelijk handhaven.
- Machine fijn de boviene corticaal bot monsters bij kamertemperatuur op de 800 en 1200 grit papers voor een duur van 15 minuten voor elke stap. Het handhaven van de grinder-polijstmachine met een base snelheid van 150 rpm, hoofd snelheid van 60 omw / m, en operationele belasting van 1 pond.
- Poolse de specimens met 3 µm, 1 µm en 0,25 µm diamant schorsing oplossingen in de zelfde orde op een harde, geperforeerd, nonwoven doek voor een duur van 90 min bij kamertemperatuur. De operationele belasting voor elke stap in 1 lb met de basis en hoofd snelheden van de polijstmachine op 300 rpm en 60 rpm, respectievelijk handhaven.
- Pools het model met 0,05 µm aluminiumoxide schorsing oplossing op een zachte, synthetische rayon doek voor een duur van 90 min bij 1 pond met base en hoofd snelheid van 100 rpm en 60 rpm, respectievelijk, ook bij kamertemperatuur.
- Plaatst de specimens met-geïoniseerd water in een bekerglas en het bekerglas in het ultrasoonbad gedurende 2 minuten tussen elke opeenvolgende stap van slijpen en polijsten schoon het residu en voorkomen van kruisbesmetting.
- Bekijk de oppervlaktekenmerken met behulp van optische microscopie en SEM beeldvorming.
Opmerking: Zoals aangegeven in Figuur 1, osteons, Haversian, grachten, cement lijnen, interstitiële regio's, en lacunes werden waargenomen op de boviene corticaal bot specimens. Deze beeldvormende methoden onthullen de poreuze, heterogene en anisotrope karakter van corticaal bot specimens. Daarnaast werd geavanceerde oppervlakte onderzoek van de exemplaren uitgevoerd voor de beoordeling van de kwaliteit van het gepolijste oppervlak. Een representatieve gepolijste oppervlak is afgebeeld in Figuur 2.
4. micro kras Test
Opmerking: Micro kras tests worden uitgevoerd op de specimens van de gepolijste boviene corticaal bot met behulp van een micro kras tester (Figuur 3). Een diamant Rockwell indenter met de straal van een tip van 200 µm en apex hoek van 120° wordt gebruikt voor de studie. Het instrument kan de toepassing van een lineair progressieve belasting tot 30 N. Bovendien, het instrument is voorzien van hoog-nauwkeurigheid sensoren voor het meten van de horizontale belasting, indringingsdiepte en akoestische emissies gegenereerd als gevolg van krabben. Het instrument kan vangen de panorama's van kras groeven.
- Voorafgaand aan het testen van corticaal bot specimens, kalibreer de Rockwell indenter tip gebruik van polycarbonaat als referentie materiaal3.
- Plaats het specimen corticaal bot in het werkgebied en kies de site van kras test met behulp van de optische Microscoop instellen naar de micro kras tester-module geïntegreerd.
- Toepassing van een lineair progressieve belasting met een start-belasting van 30 mN en einde belasting van 30 N. De densiteit moet worden ingesteld op 60 N/min en de kras lengte tot 3 mm.
- Aantal kras tests uitvoeren op de korte longitudinale (Figuur 3b) boviene corticaal bot exemplaren zoals geïllustreerd in Figuur 3.
- Het specimen oppervlak met HBSS nat na een reeks van elke drie tot vier kras tests om ze gehydrateerd te houden.
- Het analyseren van de testgegevens van de kras gebaseerd op niet-lineaire breukmechanica modellering van2.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Atomaire kracht microscopie werd gebruikt voor het meten van de ruwheid van het gepolijste oppervlak. Als een vuistregel kwalificeert het specimen als een goed gepolijst als de oppervlakteruwheid een orde van grootte kleiner is dan de oppervlaktekenmerken van belang is. In dit geval, de gemeten oppervlakte ruwheid van 60 nm over een 40 µm x 40 µm gebied valt duidelijk binnen dit criterium.
Figuur 4 ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Micro kras tests induceren een gemengde breuk3. Bovendien, in de korte longitudinale boviene corticaal bot specimens, fractuur processen worden geactiveerd als de sonde dieper graaft. Voor een 3-mm lange kras is de prismatische volume gesondeerd ongeveer 3.600 µm lang en 600 µm breed 480 µm diep. Dit grote volume geholpen bij het voorspellen van een gehomogeniseerde reactie. Een niet-lineaire breuk mechanica model ons in staat om uittreksel van de weerstand van de breuk op basis van de J-...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd gesteund door het departement van burgerrechten en milieu-Engineering en het College of Engineering aan de Universiteit van Illinois te Urbana-Champaign. Wij erkennen de Ravindra Kinra en Kavita Kinra Fellowship voor de ondersteuning van het graduate studies van Kavya Mendu. Scanning elektronen microscopie onderzoek werd uitgevoerd bij de faciliteiten van het onderzoekslaboratorium van Frederick Seitz materiaal and Beckman Institute aan de Universiteit van Illinois te Urbana-Champaign.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Table Top Diamond Band Saw | McMaster Carr, Elmhurst, IL | Model C-40 | Bladsnelheid van 40 mph; Bladmateries: 37 inch in diameter, 0,02 inch breed en 0,14 inch diep |
| Buehler Isomet 5000 Precision Cutter | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 112780 | Bladsnelheid in het bereik van 200-5000 rpm in stappen van 50 rpm; 8 inch diamantschijf |
| Branson 5800 Ultrasonic Cleanser | (Through) Grainger, Peoria, Illinois | 39J365 | Bransonic CPXH ultrasoonbad heeft een tankinhoud van 2,5 gal |
| Buehler Ecomet 250 Grinder - Polisher | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 497250 | 8 inch basisplaat met een snelheidsbereik van 10-500 rpm |
| Anton Paar, CSM Instruments Micro scratch tester | Anton Paar Switzerland AG | 163251 | Compact Platform, Acoutstic Emission Sensor |
| JEOL 6060LV general purpose scanning electron microscope | JEOL USA, Inc., Peabody, MA | Milieuscannende elektronenmicroscoop die beeldvorming mogelijk maakt bij lage vacuümniveaus. | |
| Philips XL30 ESEM FEG | FEI Company | Nas werkende modus van het instrument maakt beeldvorming van niet-geleidende monsters mogelijk zonder ze te veranderen | |
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
| Verbruiksartikelen | |||
| Bovine Femur | L&M Slaughter house, Georgetown, IL | Met maïs gevoerd, 24-30 maanden oude volwassen boviene exemplaren. | |
| Alconox Powdered Precision Cleaner | Alconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 10603 | 1104-1 | Biologisch afbreekbaar, Niet-caustisch, Zonder interfererende residuen |
| Acrylic Plastic Casting | Electron Microscopy Sciences | 24210-02 | Polymethyl Methacrylate |
| CarbiMet SiC Abrasive Paper 400 grit, 8 inch, PSA backed | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 36080400 | Slijpen - Schuurpapier |
| CarbiMet SiC Abrasive Paper 600 grit, 8 inch, PSA backed | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 36080600 | Slijpen - Schuurpapier |
| MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backed | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 36080800 | Slijpen - Schuurpapier |
| MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backed | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 16081200 | Slijpen - Schuurpapier |
| Texmet P For 8'' Wheel PSA | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 407638 | Polijstdoek |
| 8'' Microcloth PSA | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 407518 | Polijstdoek |
| Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 3 µm | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 406631 | Polijstsuspensie |
| Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 1 µm | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 406630 | Polijstsuspensie |
| Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 0.25 µm | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 406629 | Polijstsuspensie |
| MasterPrep Polishing Suspension, 0.05µm | Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 | 40-6377-032 | Polijstsuspensie |
| HBSS, calcium, magnesium, geen fenolrood | Thermo Fisher Scientific | 14025126 | Bufferoplossing |
Referenties
- Akono, A., Reis, P., Ulm, F. Scratching as a fracture process: From butter to steel. Phys Rev Lett. 106 (20), 204302-204304 (2011).
- 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).
- Akono, A. T., Ulm, F. J. An improved technique for characterizing the fracture toughness via scratch test experiments. Wear. 313 (1-2), (2014).
- 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).
- 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).
- Melvin, J. W., Evans, F. G. Crack propagation in bone. ASME Biomech Symp. , New York. (1973).
- Norman, T. L., Vashishth, D., Burr, D. B. Effect of groove on bone fracture toughness. J of Biomech. 25 (12), 1489-1492 (1992).
- Behiri, J. C., Bonfield, W. Crack velocity dependence of longitudinal fracture in bone. J of Mat Sc. 15 (7), 1841-1849 (1980).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ritchie, R. O. The conflicts between strength and toughness. Nat Mater. 10 (11), 817-822 (2011).
- 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).
- Bazant, Z. P., Planas, J. Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. 16, CRC press. (1997).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
