Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

تقييم هشاشة العظام القشرية الأبقار باستخدام اختبارات الصفر

doi: 10.3791/56488 Published: November 30, 2017

Summary

ويقيم هذه الدراسة المتانة كسر العظام القشرية البقري على المستويات الفرعية-ميزو مجهرية الصفر الاختبارات باستخدام. هذا موضوعي الأصلي، وصرامة، واستنساخه بالأسلوب المقترح للتحقيق المتانة كسر أدناه جدول العيانية. التطبيقات المحتملة هي دراسة التغيرات في هشاشة العظام بسبب أمراض مثل هشاشة العظام.

Abstract

العظم مادة هرمية معقدة مع خمسة مستويات متميزة للمنظمة. عوامل مثل الشيخوخة والأمراض مثل هشاشة العظام زيادة هشاشة العظام، ويجعلها عرضه للكسر. نظراً للأثر الاجتماعي الاقتصادي الكبير من كسور العظام في مجتمعنا، هناك حاجة لطرق جديدة لتقييم أداء كل مستوى التسلسل الهرمي للعظام الميكانيكية. على الرغم من أن يمكن سبر وصلابة وقوة على جميع المستويات – نانو الصغيرة، المتوسطة، والعيانية – تقييم الكسر قد اقتصرت حتى الآن على التجارب العيانية. هذا القيد يحد من فهمنا لكسور العظام ويحد من نطاق الدراسات السريرية والمختبرية. في هذا البحث، علينا التحقيق في مقاومة الكسر من العظام من مجهرية لجداول طول mesoscopic باستخدام اختبارات الصفر الصغيرة جنبا إلى جنب مع ميكانيكا الكسر غير الخطية. وتجري الاختبارات في الاتجاه الطولي قصيرة على عينات العظام القشرية الأبقار. يتم وضع بروتوكول تجريبي دقيق وعدد كبير (102) من الاختبارات تجري لتقييم متانة الكسر من عينات العظام القشرية بينما المحاسبة لعدم تجانس المرتبطة بالعظام المجهرية.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

في هذه الدراسة، يمكننا قياس المتانة كسر العظام المدمجة الأبقار من المتوسطة المدى (أوستيونس) بعبارة (مستوى رقائقي) باستخدام تقنية نقطة الصفر الصغير رواية1،2،3،4، 5. كسر العمليات بما في ذلك نشر الكراك الكراك والشروع في العظام تتأثر مباشرة بجداول طول نظراً للمقومات الهيكلية المختلفة والمنظمة على مختلف مستويات التسلسل الهرمي. ولذلك، تقييم كسور العظام في أصغر طول جداول ضروري تسفر عن فهم أساسي لهشاشة العظام. من ناحية، ضغط الاختبارات التقليدية مثل الانحناء ثلاث نقاط، التوتر، وعادة يتم إجراء اختبارات فليشر في الأبقار عظم الفخذ والساق لتوصيف الانكسار في المقياس عيانية6،7، 8. من ناحية أخرى، كان كسر لبكر المسافة البادئة لقياس متانة الكسر على المستوى المجهري، المقترح9. المسافة البادئة الصغيرة أجرى باستخدام indenter لبكر لتوليد الشقوق الشعاعية. وعلاوة على ذلك، أجرى فأر أوليفر نانويندينتيشن كسر المتانة الأسلوب باستخدام مكعب حاد زاوية indenter10.

في دراسات المتانة كسر نانويندينتيشن على أساس أعلاه، قيست أطوال الشقوق الناجمة عن ذلك المراقب وتم استخدام نموذج شبه تجريبية لحساب المتانة الكسر. ومع ذلك، هذه الأساليب صفاتها، ذاتية، والنتائج التي تعتمد اعتماداً كبيرا على مهارة المراقب سبب الحاجة إلى قياس أطوال الكراك باستخدام المجهر الضوئي أو المجهر الإلكتروني المسح. وعلاوة على ذلك، أجريت اختبارات الصفر على النانو-النطاق، ولكن النموذج الرياضي الأساسي ليس على أساس الفيزياء كما أنها لا تراعي تخفيض القوة بسبب الشقوق والعيوب11. وهكذا، هناك فجوة المعرفة: أسلوب لتقييم الكسر على المستوى المجهري استناداً إلى نموذج ميكانيكية القائمة على الفيزياء. هذه الفجوة في المعرفة بدافع تطبيق اختبارات الصفر الصغير ضغط العظام بالتركيز أولاً على العينات الخنزير5. الآن تم تمديد الدراسة كذلك لفهم العظام القشرية الأبقار.

توجهات مختلفة اثنين من العينات الممكنة: طولية عرضية وقصيرة الطولية. ويناظر طولية عرضية كسر خصائص عمودي على المحور الطولي لعظم الفخذ. في حين، القصير طولية يتوافق مع خصائص الكسر على طول المحور الطولي لعظم الفخذ5. في هذه الدراسة، نقوم بتطبيق اختبار الصفر للأبقار العظام القشرية لتوصيف المقاومة كسر العظم في الاتجاه الطولي قصيرة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ملاحظة: البروتوكول هو موضح هنا، المبادئ التوجيهية الرعاية الحيوانية "لجنة الاستخدام" و "إلينوي، الرعاية المؤسسية على الحيوان".

1-نموذج المشتريات

  1. جمع قصبة البقري الطازج المقطوع من إدارة الولايات المتحدة مسلخ معتمد من قبل وزارة الزراعة الزراعة ونقلها في أكياس بلاستيكية الهواء ضيقة في برودة.
    ملاحظة: للدراسة التي أجريت هنا، جمعت قصبة من الحيوانات التي كانت 24-30 شهرا القديمة، والتي، ووزنه حوالي 1,000-1,100 جنيه استرليني.
  2. تجميد قصبة في 20 درجة مئوية حتى بدء إجراءات إعداد العينة. وتبقى درجة الحرارة هذه قصبة الطازجة12،،من1314.

2-قطع، والتنظيف، وتضمين العينات

  1. ذوبان الجليد في قصبة مجمدة في حاوية مع المياه لحوالي 2 ساعة في درجة حرارة الغرفة.
  2. قطع أقراص متعددة حوالي 10-15 مم من منطقة diaphysis منتصف باستخدام منشار باند الماس أعلى جدول لإنتاج العينات مع مساحة مقطعية موحدة للعظام القشرية.
  3. استخدام مجموعة أدوات تشريح لإزالة أي أنسجة لينة أو اللحم يعلق على العظام القشرية.
  4. وشهد قطع المقاطع العرضية لقصبة التي تم الحصول عليها في الخطوة 2.2 باستخدام شفرة وافيرينج الماس على سرعة منخفضة تحت ظروف رطبة على طول المحور الطولي للعظم للحصول على عدة مقاطع cuboidal تقريبا.
    ملاحظة: هنا، فقط إعداد العينة والصفر اختبارات أجريت على المدى القصير-وتناقش العينات الطولية. ومع ذلك، باستثناء اتجاه القطع، الإجراء إعداد لا يزال هو نفسه للتوجه عرضية.
  5. تنظيف العينات في التوصل إلى حل المعدة باستخدام 1.5% أنيونى النظيف والتبييض 5% لمدة 20 دقيقة في منظف الموجات فوق الصوتية.
  6. تضمين عينات العظام القشرية في راتنج اﻷكريليك (هنا بولي ميثاكريلات (البولي ميثيل ميثا اكريلات)) لسهولة المناولة والاستقرار.
    1. لتضمين العينات، أولاً معطف جدران القالب مع وكيل إصدار. ثم مزيج من راتنج اﻷكريليك ومقوي في كوب، وفقا للتعليمات المعطاة من قبل الشركة المصنعة للبولي ميثيل ميثا اكريلات.
    2. ضع واحدة من عينات العظام القشرية قطع في كل العفن مع السطح لتكون خدش تواجه أسفل. صب خليط راتنج اﻷكريليك إلى هذه إعداد أصحاب العينة. علاج العينات لمدة تصل إلى 4-5 س.
  7. قطع العينات مضمن إلى أقراص سميكة 5 مم، وتعريض السطح لتكون خدش، استخدام سرعة منخفضة شهد وجبل العينات إلى المعدن (الألمنيوم) أقراص قطرها 34 مم وارتفاع 5 ملم باستخدام مادة لاصقة cyanoacrylate.
  8. التفاف العينات في مقياس غارقة في هانكس متوازنة المالحة الحل (حبس) وفي الثلاجة عند درجة 4 مئوية حتى زيادة استخدام15،16.

3-الطحن والتلميع البروتوكولات

ملاحظة: شرطا مسبقاً لاختبار عالية الدقة في الموازين الصغيرة-طول سطح السلس والمجروفة العينات. السابقة لتلميع البروتوكولات13،17 تؤدي خشونة سطح كبيرة، مما يؤدي إلى عدم دقة كبيرة في القياس. ويكمن التحدي في تحقيق خشونة متوسط السطحية التي منخفض، أقل من 100 نانومتر، على سطح2 3 × 8 مم مساحة كبيرة.

  1. طحن العينات العظام القشرية البقري في درجة حرارة الغرفة استخدام حصى 400 والحصباء 600 كربيد السيليكون ورقات عن 1 دقيقة و 5 دقائق، على التوالي. الاحتفاظ طاحونة الملمع في الأساس بسرعة 100 دورة في الدقيقة و 150 دورة في الدقيقة، على التوالي.
  2. آلة طحن عينات العظام القشرية البقري في درجة حرارة الغرفة على أوراق حصى 800 و 1,200 لمدة 15 دقيقة لكل خطوة. الاحتفاظ طاحونة الملمع بسرعة قاعدة 150 لفة في الدقيقة، السرعة الرأس 60 لفة في الدقيقة، وتعمل تحميل من 1 رطل.
  3. البولندية العينات باستخدام 3 ميكرومتر و 1 ميكرومتر 0.25 ميكرومتر الماس تعليق الحلول بنفس الترتيب على قطعة من قماش الثابت، مثقبة، غير منسوجة لمدة 90 دقيقة في درجة حرارة الغرفة. الحفاظ على تحميل التشغيل لكل خطوة في 1 رطل مع سرعات الأساسي والرئيسي من الملمع في 300 دورة في الدقيقة، وفي الدقيقة 60، على التوالي.
  4. البولندية العينة استخدام 0.05 ميكرومتر الألومينا تعليق الحل على قطعة من قماش الحرير الناعمة، الاصطناعية لمدة 90 دقيقة في 1 رطل مع القاعدة والرأس بسرعة 100 دورة في الدقيقة، وفي الدقيقة 60، على التوالي، كما في درجة حرارة الغرفة.
  5. وضع العينات في كوب مع الماء المتأين الرفع ووضع في الكأس في حمام الموجات فوق الصوتية ل 2 دقيقة بين كل خطوة من خطوات متتالية الطحن والتلميع لتنظيف البقايا وتجنب التلوث المتبادل.
  6. عرض السمات السطحية باستخدام المجهر الضوئي والتصوير ووزارة شؤون المرأة.
    ملاحظة: كما هو مبين في الشكل 1، أوستيونس، هافيرسيان القنوات، وخطوط الأسمنت، المناطق المتداخلة، وثغرات لوحظت في عينات العظام القشرية الأبقار. وتكشف هذه أساليب التصوير الطبيعة المسامية وغير متجانسة، ومتباين من عينات العظام القشرية. بالإضافة إلى ذلك، أجرى فحص العينات السطحية متقدمة لتقييم نوعية سطح مصقول. ويرد على سطح مصقول ممثل في الشكل 2.

4-مايكرو الصفر الاختبار

ملاحظة: مايكرو الصفر هي الاختبارات على عينات العظام القشرية البقري مصقول استخدام اختبار الشحن الجزئي (الشكل 3). ويستخدم الماس indenter روكويل نصف قطرها 200 ميكرومتر وذروة زاوية ° 120 نصيحة للدراسة. الصك الذي يسمح تطبيق حمولة التدريجي الخطي ما يصل إلى 30 أ. وعلاوة على ذلك، مجهز بأجهزة استشعار عالية الدقة قياس حمولة أفقية وعمق الاختراق، والانبعاثات الصوتية التي تم إنشاؤها بسبب الخدش الصك. يمكن التقاط الصك الاستعراضات الأخاديد الصفر.

  1. قبل اختبار عينات العظام القشرية، معايرة تلميح indenter روكويل استخدام البولي كمرجع المواد3.
  2. ضع العينة العظام القشرية على المسرح واختيار موقع الاختبار الصفر باستخدام المجهر الضوئي إعداد متكامل للوحدة النمطية اختبار الصفر الصغير.
  3. تطبيق حمولة خطي تدريجي مع حمولة ابدأ من تحميل مينيسوتا ونهاية 30 من 30 أ. يجب تعيين معدل التحميل إلى 60 N/دقيقة وطول الصفر إلى 3 مم.
  4. إجراء سلسلة من اختبارات الصفر على القصير طولية (الشكل 3b) عينات العظام القشرية الأبقار كما هو موضح في الشكل 3.
  5. الرطب على سطح العينة مع هبس بعد مجموعة من كل ثلاثة أو أربعة الصفر الاختبارات للحفاظ عليها رطبة.
  6. تحليل بيانات الاختبار الصفر على أساس ميكانيكا الكسر غير الخطية نمذجة2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

مجهر القوة الذرية استخدمت لقياس خشونة السطح المصقول. وكقاعدة عامة، يؤهل العينة كأحد مصقولة جيدا إذا خشونة السطح أمر من حجم أصغر من السمات السطحية للفائدة. في هذه الحالة، قياس خشونة السطح 60 شمال البحر الأبيض المتوسط على مساحة 40 ميكرومتر x 40 مكم وضوح يندرج ضمن هذا المعيار.

ويبين الشكل 4 القوة مقابل اختراق عمق الرسوم البيانية للممثل الصفر الفحوص التي أجريت على العينة القصير طولية العظام القشرية الأبقار. أن القوة العمودية الحمولة الإضافية المقررة، فهو القوة الأفقية المقاومة المقاسة من ذوي الخبرة بالتحقيق. يبين الشكل 5 صور المجهر الإلكتروني المسح لسطح كسور العظام القصيرة طولية القشرية الأبقار. هذه الصورة يظهر التقطيع ويتساقط من السطح وتواجد آليات تشديد الجوهرية مثل مايكرو تكسير، الكراك انحراف، ورأب صدع. ويتم تحليل البيانات الدقيقة الصفر اختبار باستخدام البرامج النصية MATLAB استناداً إلى ميكانيكا الكسر غير الخطية نمذجة2. قبل وقوع عملية الكسر، سيكون هناك تبديد البلاستيك18. كما يزيد من عمق الاختراق، يتم تنشيط عمليات الكسر.

استناداً إلى الملاحظة المجهرية، أننا نعتبر وجود صدع واحد نشر كما هو موضح في الشكل 3 (ب). علينا أن نبني كسر غير خطية ميكانيكا نموذج1،2 للتنبؤ بحجم القوة الصفر. ويعتبر المجهرية الخواص عرضية متجانسة للعظام القشرية على مستوى الأنسجة. ويبين الشكل 6 مقياس قوة المتانة الكسر من عينات العظام القشرية طولية قصيرة. هو عرض انتقال مطيلة هش باختلاف عمق الاختراق. في نظام هش ويحركها الكسر، قوة الصفر Equation 1 يتناسب مع الكمية Equation 2 ، حيث Equation 3 هو التحقيق شكل الدالة1،2،،من34، 5. ولذلك، المتانة الكسر، Equation 4 1،2،3،،من45 يتقارب اتجاه ثابت. وعلاوة على ذلك، يقال قيمة Kc الذي يتوافق مع كسر هش عن قوة رفع الأرض لاختبار واحد كما هو موضح في الشكل 6. أجريت اختبارات الصفر الصغير 102 في العينات قصيرة العظام القشرية البقري طولية كما هو موضح في الشكل 7. تتوافق مع الاختبارات الخارجة للعينات التي تم اختبارها بعد أسبوع من التحضير والتخزين في المحلول الملحي. تخزين العينة لمدة طويلة جداً غيرت السطح بسبب تشكيل متعجل من المحلول الملحي مما أدى إلى كسر مختلفة قيم المتانة. كسر المتانة القيمة الإجمالية التي تم الحصول عليها من 4.05±0.63 الآلام والكروب الذهنيةEquation 5. الأدب ذكرت كسر المتانة القيم في النطاق من 2.5 إلى 5.5 الآلام والكروب الذهنيةEquation 5،من68. تظهر هذه النتائج أن قيم المتانة الكسر أبلغ من الاختبارات الصفر الصغرى وفقا للأدب.

Figure 1
رقم 1: رسم يظهر مستويات هرمية مختلفة من عينات العظام والتحقيقات التجريبية التي تجري على مستوى كل. المحور الأفقي يتوافق مع مقياس الطول تتراوح بين ماكروسكالي النانو والمحور العمودي يتوافق مع مقياس الوقت التي تجري التجارب المقابلة لكل مستوى. (الصورة الائتمان: مندو كافياً). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: الصور الرقمية من أقراص الألومنيوم (أ) تستخدم كقاعدة للعينات وعينات العظام الطولية القصيرة (ب) جيد مصقول. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: الدقيقة الصفر test. الصورة الرقمية اختبار الصفر الصغير في العينة العظام القشرية البقري (A). روكويل تحقيق وجود زاوية ابيكس 120س السبر العينة العظام القشرية مضمن في ميثاكريلات بولي. (ب) التخطيطي للتحقيق الصفر الحرث المواد العظام التي تبين ظهور وضع مختلط من الكسر في عينة طولية قصيرة. (ائتمانات: إنجي-تيريز اكونو وامريتا كاتاروكا مندو كافياً). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4: الاخدود الصفر. المجهر الضوئي صورة بانوراما الاخدود الصفر (A). (ب) ارسم مناظرة القوة مقابل عمق على طول الاخدود الصفر. يتوافق مع القوة الأفقية للقوة احتكاكي مقاوم بالكشف عنها بواسطة أجهزة استشعار المرفقة إلى مرحلة اختبار الشحن الجزئي ويتوافق مع القوة العمودية للقوة الخطي التدريجي بتطبيقها على العينة العظام القشرية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الرقم 5: مسح صور المجهر الإلكتروني (SEM)- الصور SEM من الصفر الاخدود عرض الآليات الدقيقة مثل انحراف الكراك ورأب صدع، سد الألياف، والتقطيع على مستويات تكبير مختلفة (أ) 40 (ب) 10,000 X X (ج) 2,400 X (د) 5، 000 X. القبض على استخدام الفراغ المنخفض المسح الإلكتروني المجهري في معهد بيكمان، جامعة إلينوي في "اوربانا شامبين" وفريدريك سيتز مختبر علوم المواد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
رقم 6: الصفر الصورة الصفر الصغير وقوة- (أ) تحجيم قوة الصفر على طول الصفر يظهر التقارب بين المتانة الكسر. Equation 1 هو القوة الأفقية و Equation 3 هي الدالة الشكل المسبار الذي يعتمد على عمق الاختراق والهندسة. (ب) صورة بانورامية المجهر الضوئي من الصفر الصغير على العظم البقري في الاتجاه الطولي قصيرة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 7
رقم 7: كسر المتانة. الأرض عرض الكسر قيم المتانة الاختبارات الصفر الصغير 102 أجريت على عينات قصيرة العظام القشرية البقري الطولية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

الجزئي نقطة الصفر اختبارات حمل كسر الوضع المختلط3. وعلاوة على ذلك، في العينات قصيرة العظام القشرية البقري طولية، يتم تنشيط عمليات الكسر كما المسبار تحفر أعمق. للصفر طويلة 3 مم، هو حجم المنشورية سبر 3,600 حوالي ميكرومتر طويلة وواسعة 600 ميكرون ميكرومتر 480 عميقة. وساعد هذا الحجم الكبير في التنبؤ باستجابة المتجانس. نموذج ميكانيكا كسر غير خطية مكنتنا من استخراج مقاومة الكسر استناداً إلى ياء-الحساب لا يتجزأ1،،من24.

عينات العظام القشرية الأبقار توفير مساحة أكبر للاختبار عند مقارنتها بالعينات الخنزير التي استخدمت ل منشور سابق5. ومع ذلك، هناك فرق مقابلة في حجم الميزات المجهرية من الخنزير لعينات العظام القشرية الأبقار. وادي ذلك إلى وضع بروتوكول جديد بالصقل للعينات الأبقار. وعلاوة على ذلك، أثناء تطور الأسلوب، لوحظ أن عينات العظام القشرية البقر المعدة تحتاج إلى اختبار في غضون أسبوع واحد بعد التحضير. هذا هو لتجنب تشكيل بقايا على العينات الأبقار بسبب المحلول الملحي، مما قد يؤثر بشدة على نتائج الاختبار.

وبالإضافة إلى ذلك، الاختبارات التي أجريت على العينات قصيرة العظام القشرية البقري طولية الخاضعة للظروف البيئية وتوحيد البروتوكولات إعداد العينة. وهذا أدى إلى انخفاض في تباين نتائج الاختبار من 23 في المائة المبلغ عنها سابقا للقصير طولية العظام القشرية الخنزير عينات من5 إلى 15% للعينات قصيرة العظام القشرية البقري الطولي في هذه الدراسة. ومع ذلك، في الشكل 7، يمكن أن يعزى إلى أسباب مختلفة مثل مدة التخزين في المياه المالحة أو موقع من الصفر نفسها نتائج الاختبار الخارجة. ومع ذلك، نظراً لأن العظام غير متجانسة في المتوسط وجداول طول مجهرية، المتوقع كمية معينة من التقلب.

فحص الميكروسكوب الإلكتروني يظهر حدوث عمليات الكسر خلال هذه التجارب نقطة الصفر. لوحظ تشديد آليات الجزئي تكسير على المستوى المتوسط، الكراك انحراف، وصدع سد في عبارة وسد الألياف بمقياس الفرعية ميكرون (انظر الشكل 5). وهذا وفقا لآليات تشديد أفادت في وقت سابق في الأدب19. وهكذا، مايكرو الصفر اختبارات تحديد خصائص الكسر من عينات العظام القشرية الأبقار من الحجم المتوسط إلى الحجم الصغير.

الطريقة التي نقترحها هنا يتطلب عدد صغير من العينات، ويتيح اختبار العينات في أصغر طول جداول. على سبيل المثال، هو عرض المطيل لهشاشة اقتصاداتها بمرحلة انتقالية في المقياس عيانية بالعمل مع عينات ذات أحجام مختلفة مع وجود نسبة العرض إلى الارتفاع مستمر. وفقا لأسلوب تقييم كسر تأثير الحجم، مطلوبة على الأقل 5 عينات مختلفة من الحجم لتقدير كسر متانة قيمة20،21. وهكذا، لتقدير الكسر 102 المتانة قيم، العيانية يحتاج اختبار العينات حوالي 510 الذي ينطوي على الكثير من الوقت والموارد. وهكذا، هذا الأسلوب فإننا نقترح تقديرات المتانة الكسر بمعدل أسرع وأكثر اقتصادا. وعلاوة على ذلك، فهم خصائص الكسر على مختلف المستويات الهرمية تمكننا من فهم آليات العظام أكثر كفاءة. وبالإضافة إلى ذلك، اختبار الكفاءة، واستنساخه، ويمكن القيام بسهولة ضمن مجموعة واسعة من الضوابط البيئية. على سبيل المثال، قد تنفذ اختبار العينات المغمورة في محلول مالحة في دائرة البيئة لمحاكاة الظروف في المختبر . وبالإضافة إلى ذلك، سيتم تطبيق الأسلوب أيضا لاختبار المتانة كسر العظام في الاتجاه الطولي عرضية لالتقاط تباين في العظام. وهكذا، أسلوبنا رواية يعني لتقييم كسر الأنسجة البيولوجية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

كان يدعمها هذا العمل في الإدارة المدنية، والهندسة البيئية، وكلية الهندسة في جامعة إلينوي في "اوربانا شامبين". ونقدر كينرا Ravindra وكافيتا كينرا زمالة لدعم الدراسات العليا من مندو كافياً. المسح الضوئي المجهر الإلكتروني التحقيق أجرى في مرافق "فريدريك سيتز مواد البحوث المختبرية" ومعهد بيكمان في جامعة إيلينوي في "اوربانا شامبين".

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Table Top Diamond Band Saw McMaster Carr, Elmhurst, IL Model  C-40 Blade speed of 40 mph; Blade dimensions: 37 inch in diameter, 0.02 inch wide and 0.14 inch deep
Buehler Isomet 5000 Precision Cutter Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 112780 Blade speed in the range of 200-5000 rpm in 50 rpm incrments; 8 inch diamond wafering blade
Branson 5800 Ultrasonic Cleanser (Through) Grainger, Peoria, Illinois 39J365 Bransonic CPXH ultrasonic bath has a tank capacity of 2.5 gal
Buehler Ecomet 250 Grinder - Polisher Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 497250 8 inch base plate with a speed range from 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 Environmental scanning electron microscope which enables imaging at low vacuum levels.
Philips XL30 ESEM FEG  FEI Company Wet mode working of the instrument enables imaging of non conductive samples without altering them 
Name Company Catalog Number Comments
Consumables
Bovine Femur L&M Slaughter house, Georgetown, IL Corn fed, 24-30 month old mature bovine specimens.
Alconox Powdered Precision Cleaner Alconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 10603 1104-1 Biodegradable, Non caustic, Interfering-residue free
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 Grinding - Abrasive Papers
CarbiMet SiC Abrasive Paper 600 grit, 8 inch, PSA backed Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 36080600 Grinding - Abrasive Papers
MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backed Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 36080800 Grinding - Abrasive Papers
MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backed Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 16081200 Grinding - Abrasive Papers
Texmet P For 8'' Wheel PSA Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 407638 Polishing Cloth
8'' Microcloth PSA Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 407518 Polishing Cloth
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 3 µm Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 406631 Polishing suspension
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 1 µm Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 406630 Polishing suspension
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 0.25 µm Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 406629 Polishing suspension
MasterPrep Polishing Suspension, 0.05µm Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044 40-6377-032 Polishing suspension
HBSS, calcium, magnesium, no phenol red Thermo Fisher Scientific 14025126 Buffer Solution

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).
تقييم هشاشة العظام القشرية الأبقار باستخدام اختبارات الصفر
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mendu, K., Kataruka, A., Puthuvelil, J., Akono, A. T. Fragility Assessment of Bovine Cortical Bone Using Scratch Tests. J. Vis. Exp. (129), e56488, doi:10.3791/56488 (2017).More

Mendu, K., Kataruka, A., Puthuvelil, J., Akono, A. T. Fragility Assessment of Bovine Cortical Bone Using Scratch Tests. J. Vis. Exp. (129), e56488, doi:10.3791/56488 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter