Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Хрупкость оценки говядину кортикальной кости с помощью тестов нуля

9.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/56488

⸱

30 ноября 2017 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Данное исследование оценивает трещиностойкость говядину кортикальной кости на уровне суб мезо, с использованием микроскопических нуля тесты. Это оригинальный, цель, строгий, и воспроизводимый метод предлагается зонд трещиностойкость ниже макроскопический масштаб. Потенциальные приложения изучают изменения в хрупкости костей из-за заболевания, как остеопороз.

Аннотация

Кости является сложной иерархической материал с пяти различных уровнях Организации. Факторов, как старение и заболевания, как остеопороз увеличивает хрупкость костей, что делает его подверженным перелом. Ввиду больших социально экономических последствий перелом кости в нашем обществе есть потребность в новые пути, чтобы оценить механические характеристики каждого иерархического уровня кости. Хотя жесткость и прочность может быть исследован на всех уровнях – нано-, микро-, мезо-, и макроскопические – перелом оценки пока ограничивается макроскопические испытания. Это ограничение ограничивает наше понимание перелом костей и ограничивает сферу лабораторных и клинических исследований. В этом исследовании мы исследуем сопротивление разрушению кости из микроскопических мезоскопических длина шкалы с помощью микро нуля тестов в сочетании с нелинейной перелом механики. Испытания проводятся в короткие продольной ориентации на говядину кортикальной кости образцов. Дотошный экспериментальный протокол разработан и большое количество тестов (102) для оценки трещиностойкость кортикальной кости образцов во время учета неоднородности, связанные с микроструктурой кости.

Введение

В этом исследовании мы измеряем трещиностойкость говядину компактной кости от мезомасштабные (osteons) микромасштабной (пластинчатые уровень) с помощью Роман микро скретч техника1,2,3,4, 5. Перелом процессы, включая инициирование и трещины распространение трещин в канальцах напрямую зависит от длины шкалы вследствие различных структурных составляющих и Организации на различных уровнях иерархии. Таким образом оценки перелом кости в меньших масштабах длины необходимо приносит глубокое понимание хрупкости костей. С одной стороны, обычных тестов, таких как трехточечном изгибе, компактный напряженность, и изгиб тесты обычно проводятся на говядину бедра и голени, перелом характеристике в макроскопических масштабах6,7, 8. с другой стороны, для измерения вязкости разрушения в микроскопическом масштабе, Белогурова отступы перелом был предлагаемого9. Микро отступ была выполнена с помощью Белогурова индентора для создания радиальные трещины. Кроме того метод вязкость разрушения Наноиндентирование Oliver Pharr проводилось с использованием индентора резкое куб в углу10.

В выше наноиндентирования на основе разрушения прочность исследованиях длины трещины таким образом измерялись наблюдателем и полуэмпирические модели использовалась для расчета вязкости разрушения. Однако эти методы являются невоспроизводимых, субъективное, и результаты в значительной степени зависит от мастерства наблюдателя из-за необходимости измерения длины трещины с помощью оптической микроскопии или растровая электронная микроскопия. Кроме того нуля испытания были проведены на нано-, но Базовая математическая модель не является основанная на физике как он не учитывает сокращение численности из-за трещин и дефектов11. Таким образом, существует разрыв знаний: метод оценки разрушения на микроскопическом уровне на основе физики на основе механистической модели. Этот пробел знаний мотивированных применение микро нуля тесты для компактной кости, сосредоточив внимание сначала на свинину образцы5. Исследование сейчас был продлен понять говядину кортикальной кости.

Возможны два различных ориентациях образцов: продольные поперечные и короткие продольной. Продольная поперечная соответствует перелом свойств перпендикулярно продольной оси бедра. В то время как короткие продольной соответствует свойствам перелом вдоль продольной оси бедра5. В этом исследовании мы применяем скретч тестирование говядину кортикальной кости характеризовать сопротивление разрушению костей в короткие продольном направлении.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Примечание: Протокол, описанных здесь, следует принципам ухода за животными Иллинойс животных ухода и использования Комитета.

1. образец закупки

  1. Собирать свежеубранных говядину бедра от Соединенных Штатов Америки, Министерство сельского хозяйства USDA сертифицированных бойни и транспортировки их в пластиковых герметичные мешки в охладитель.
    Примечание: Для исследования, проведенного здесь, бедра были собраны от животных, которые были 24-30 месяцев старых, кукурузы кормили и весил около 1000 - 1100 фунтов.
  2. Заморозить бедра на –20 ° C до начала процедуры подготовки образца. Эта температура держится бедра свежие12,,1314.

2. резка, уборка и встраивание образцы

  1. Оттепель замороженных бедра в контейнер с водой для около 2 ч при комнатной температуре.
  2. Вырежьте несколько дисков толщиной 10-15 мм от середины диафиза региона с помощью таблицы Топ алмаз ленточная пила для производства образцов с единой площадь поперечного сечения кортикальной кости.
  3. Используйте рассечение комплект для удаления любых мягких тканей или плоть, придает кортикальной кости.
  4. Вырезать сечений бедра, полученного на шаге 2.2 с помощью wafering алмазные лезвия на низкой скорости увидел в влажных условиях вдоль продольной оси кости получить несколько примерно шестигранника разделов.
    Примечание: Здесь, только Подготовка образца и нуля проверок на коротких – продольная образцы обсуждаются. Однако за исключением направления резки, процедура подготовки остается то же самое для поперечной ориентации.
  5. Очистите образцов в раствор, приготовленный с использованием 1,5% анионных чище и отбеливатель 5% в течение 20 мин в ультразвуковой очистки.
  6. Внедрить образцы кортикальной кости в акриловой смолы (здесь полиметилметакрилат (PMMA)) для облегчения обработки и стабильности.
    1. Чтобы внедрить образцы, первый слой стенок плесень с агент выпуска. Затем смесь акриловой смолы и отвердителя в стакан, в соответствии с указаниями производителя ПММА.
    2. Разместите один из образцов отрезока кортикальной кости в каждой формы с поверхности, чтобы быть поцарапана вниз. Вылить смесь акриловой смолы в эти подготовленные держатели образца. Пусть образцы лечения продолжительностью до 4-5 ч.
  7. Встроенные образцы нарезать диски толщиной 5 мм, подвергая поверхность поцарапана, с помощью низкой скорости увидел и подключить образцы на металл (алюминий) диски диаметром 34 мм и высота 5 мм с помощью Цианакрилатный клей.
  8. Оберните образцы в датчике, пропитанной в Хэнкс сбалансированный солевой раствор (HBSS) и хранить в холодильнике при температуре 4 ° C до дальнейшего использования15,16.

3. Шлифовка и полировка протоколы

Примечание: Предварительное условие для высокой точности тестирования в малых длина шкалы является гладкой и выровненной поверхности образцов. Предыдущий, полировка протоколы13,17 привести к большой шероховатости поверхности, приводит к существенной неточности измерения. Задача заключается в достижении низкая средняя шероховатость поверхности, менее 100 Нм, на большой площади поверхности2 3 x 8 мм.

  1. Измельчить говядину кортикальной кости образцов при комнатной температуре с помощью 400 зернистости и 600 Грит карбида кремния документы за 1 мин и 5 мин, соответственно. Поддерживать точильщика полировальная скоростью базовый 100 об/мин и 150 об/мин, соответственно.
  2. Машины молоть говядину кортикальной кости образцов при комнатной температуре на 800 и 1200 зернистости бумаги в течение 15 минут для каждого шага. Поддерживать точильщика полировальная на базовой скорости 150 об/мин, головы скорость 60 об/мин и операционной нагрузки 1 lb.
  3. Польский образцов, используя 3 мкм, 1 мкм и 0,25 мкм алмазные подвески решения в том же порядке на жесткий, перфорированные, нетканые ткани продолжительностью 90 минут при комнатной температуре. Сохранять эксплуатационные нагрузки для каждого шага в 1 фунт с базой и головы скорости полотер на 300 об/мин и 60 об/мин, соответственно.
  4. Польский образца с помощью решения подвеска глинозема 0,05 мкм на ткани, мягкие, синтетические района продолжительностью 90 минут в 1 фунт с базой и головы скорость 100 об/мин и 60 об/мин, соответственно, также при комнатной температуре.
  5. Поместите образцы в стакан с деионизированной водой и поставьте стакан в ультразвуковой ванне на 2 мин между каждой последовательных шага шлифовки и полировки для очистки остатков и избежать перекрестного загрязнения.
  6. Просмотр особенности поверхности с помощью оптической микроскопии и SEM изображений.
    Примечание: Как показано на рисунке 1, osteons, Haversian каналы, цемента линии, интерстициальный регионов и пробелы были замечены на говядину кортикальной кости образцы. Эти тепловизионные методы показывают пористой, неоднородных и анизотропной характер кортикальной кости образцов. Кроме того расширенные поверхности образцов было обследование для оценки качества полированной поверхности. Представитель полированной поверхности показана на рисунке 2.

4. микро нуля тест

Примечание: Микро нуля испытания проводятся на образцах полированной говядину кортикальной кости, с помощью микро скретч тестера (рис. 3). Алмаз индентора Rockwell с кончика радиусом 200 мкм и apex угол 120° используется для изучения. Инструмент позволяет приложению линейной прогрессивной нагрузки до 30 н. Кроме того Прибор оснащен датчиками высокой точности для измерения горизонтальной нагрузки, глубина проникновения и акустическая выбросы, образующиеся из-за царапин. Инструмент может захватить панорамы скретч канавки.

  1. Перед началом испытаний образцов кортикальной кости, калибровки кончик индентора Rockwell с использованием поликарбоната как ссылку материала3.
  2. Поместите образец кортикальной кости на сцене и выбрать сайт нуля теста с помощью оптического микроскопа, Настройка интегрированный модуль микро скретч тестер.
  3. Линейный прогрессивной нагрузки с начала нагрузки 30 mN и конце нагрузки в 30 н. Скорость загрузки должно быть присвоено 60 N/мин и царапины длиной до 3 мм.
  4. Выполнить серию испытаний нуля на короткий продольной (рис. 3b) бычьего кортикальной кости образцов, как показано на рисунке 3.
  5. Влажные поверхности образца с HBSS после набора каждые три-четыре нуля тестов, чтобы держать их увлажненной.
  6. Анализировать нуля тестовые данные, основанные на механика-нелинейная разрушения моделирования2.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Атомно-силовой микроскопии был использован для измерения шероховатости поверхности полированной. Как правило образец квалифицируется как один хорошо полированной если шероховатость поверхности на порядок меньше, чем особенности поверхности интерес. В данном случае, измеренной шероховатость поверхности 60 Нм над областью µm 40 мкм x 40 явно подпадает под этот критерий.

Рисунок 4 показывает силу проти...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Микро нуля тесты вызвать перелом смешанного режима3. Кроме того в образцах короткие продольной говядину кортикальной кости, перелом процессы активируются как зонд роет глубокие. Для царапина длиной 3-мм Призматический объем исследовали это около 3600 мкм длиной, 600 мкм и 480 микрон глубоко. Этот большой объем помог в прогнозировании гомогенизированные ответ. Механики модель нелинейной перелом позволило нам извлечь сопротивление разрушению, основанный на J-составной расчета

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Департаментом гражданской и экологической инженерии на всей территории отеля и в Инженерный колледж в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн. Мы признаем Ravindra Kinra и Кавита Kinra стипендий для поддержки аспирантуры Kavya Mendu. Сканирование электронной микроскопии расследование проводилось на объектах Фридрих Зайц материал научно-исследовательская лаборатория и Бекман института в Университете Иллинойса в Урбана Шампейн.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Настольная алмазная ленточная пилаMcMaster Carr, Элмхерст, Иллинойсмодель  C-40Скорость отвала 40 миль в час; Размеры лезвия: 37 дюймов в диаметре, 0,02 дюйма в ширину и 0,14 дюйма в глубину
Buehler Isomet 5000 Precision CutterBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044112780Скорость лезвия в диапазоне 200-5000 об/мин при 50 об/мин; 8-дюймовое алмазное вафельное лезвие
Branson 5800 Ultrasonic Cleanser(Through) Grainger, Peoria, Illinois39J365Ультразвуковая ванна Bransonic CPXH имеет емкость бака 2,5 галлона
Buehler Ecomet 250 Grinder - ПолировщикBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 600444972508-дюймовая опорная плита с диапазоном скоростей от 10-500 об/мин
Anton Paar, CSM Instruments Micro scratch testerAnton Paar Switzerland AG163251компактной платформой, датчиком акустической эмиссии
JEOL 6060LV общего назначения сканирующим электронным микроскопомJEOL США, Inc., Peabody, MAСканирующий электронный микроскоп для обработки окружающей среды, который позволяет получать изображения при низком уровне вакуума.
Philips XL30 ESEM FEG Работа прибора в мокром режиме компании FEI позволяет визуализировать непроводящие образцы без их изменения;
Name<strong>CompanyКаталожный номерКомментарии
>Расходные материалы
Bomure бедренная костьL& M Slaughter house, Джорджтаун, ИллинойсКукурузный откорм, 24-30-месячные зрелые экземпляры крупного рогатого скота.
Alconox Порошкообразный прецизионный очистительAlconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 106031104-1Биоразлагаемый, неедкий, не содержащий мешающих остатков
акриловый пластикЛитье методом электронной микроскопии Sciences24210-02Полиметилметакрилат
CarbiMet SiC Абразивная бумага 400 зернистость, 8 дюймов, поддержка PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080400Шлифовка - абразив Бумага
CarbiMet SiC Абразивная бумага 600 зернистость, 8 дюймов, поддержка PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080600шлифовка - абразивная бумага
MicroCut Диски 800 зернистость, 8 дюймов, поддержка PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080800шлифовка - абразивная бумага
MicroCut Discs 800 зернистость, 8 дюймов, PSA backedBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004416081200Шлифовальная - абразивная бумага
Texmet P для 8-дюймового круга PSABuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044407638Полировальная ткань
8'' Microcloth PSABuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044407518Полировальная ткань
Meta di Supreme Поликристаллическая алмазная суспензия, 3 & микро; mBuehler,41 Waukegan Rd, Лейк-Блафф, Иллинойс 60044406631Полировочная суспензия
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 1 µ mBuehler,41 Waukegan Rd, Лейк-Блафф, Иллинойс 60044406630Полировочная суспензия
Meta Di Supreme Поликристаллическая алмазная суспензия, 0.25 & микро; mBuehler,41 Waukegan Rd, Лейк-Блафф, Иллинойс 60044406629Полировочная подвеска
MasterPrep Полировочная суспензия, 0.05&микро; mBuehler,41 Waukegan Rd, Лейк-Блафф, Иллинойс 6004440-6377-032Суспензия для полировки
HBSS, кальций, магний, без фенола красныйThermo Fisher Scientific14025126Буферный раствор

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Хрупкость оценки говядину кортикальной кости с помощью тестов нуля
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.