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Bioengineering

खरोंच परीक्षण का उपयोग कर गोजातीय Cortical हड्डी की कमजोरी आकलन

Published: November 30, 2017 doi: 10.3791/56488
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2
1Department of Civil and Environmental Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign, 2Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign

Summary

इस अध्ययन के उप मेसो स्तर पर सूक्ष्म खरोंच परीक्षण का उपयोग कर गोजातीय cortical हड्डी के फ्रैक्चर मुश्किल का आकलन है । यह एक मूल, उद्देश्य, कठोर, और प्रतिलिपि विधि macroscopic पैमाने से नीचे फ्रैक्चर मुश्किल जांच करने के लिए प्रस्तावित है । संभावित अनुप्रयोगों ऑस्टियोपोरोसिस जैसे रोगों के कारण अस्थि कमजोरी में परिवर्तन का अध्ययन कर रहे हैं ।

Abstract

हड्डी संगठन के पांच अलग स्तर के साथ एक जटिल पदानुक्रमित सामग्री है । उंर बढ़ने और ऑस्टियोपोरोसिस जैसे कारकों की हड्डी की कमजोरी में वृद्धि, यह फ्रैक्चर प्रवण बनाने जैसे कारक । हमारे समाज में हड्डी फ्रैक्चर के बड़े सामाजिक-आर्थिक प्रभाव के कारण, अस्थि के प्रत्येक पदानुक्रमित स्तर के यांत्रिक प्रदर्शन का आकलन करने के लिए उपन्यास तरीकों की आवश्यकता है । हालांकि कठोरता और शक्ति सभी तराजू पर जांच की जा सकती है-नैनो, सूक्ष्म, मेसो-, और macroscopic-फ्रैक्चर मूल्यांकन अब तक macroscopic परीक्षण तक ही सीमित किया गया है । यह सीमा अस्थि भंग की हमारी समझ को प्रतिबंधित करती है और प्रयोगशाला और नैदानिक अध्ययनों की गुंजाइश को विवश करती है. इस शोध में, हम mesoscopic लंबाई सूक्ष्म खरोंच रेखीय फ्रैक्चर यांत्रिकी के साथ संयुक्त परीक्षण का उपयोग कर तराजू को सूक्ष्म से हड्डी के फ्रैक्चर प्रतिरोध की जांच । परीक्षण गोजातीय cortical हड्डी नमूनों पर लघु अनुदैर्ध्य उंमुखीकरण में प्रदर्शन कर रहे हैं । एक जटिल प्रायोगिक प्रोटोकॉल विकसित की है और परीक्षण के एक बड़ी संख्या (१०२) cortical अस्थि नमूनों की फ्रैक्चर मुश्किल का आकलन करते हुए अस्थि microstructure के साथ जुड़े विविधता के लिए लेखांकन आयोजित की जाती हैं ।

Introduction

इस अध्ययन में, हम mesoscale (osteons) से गोजातीय कॉंपैक्ट हड्डी की फ्रैक्चर क्रूरता को मापने के अतिसूक्ष्म (lamellar स्तर) एक उपंयास माइक्रो खरोंच तकनीक का उपयोग कर1,2,3,4, 5. दरार दीक्षा और हड्डी में दरार प्रसार सहित फ्रैक्चर प्रक्रियाओं सीधे लंबाई अलग संरचनात्मक घटकों और पदानुक्रम के विभिंन स्तरों पर संगठन के कारण तराजू से प्रभावित कर रहे हैं । इसलिए, छोटे लंबाई तराजू पर हड्डी फ्रैक्चर का आकलन हड्डी की कमजोरी की एक बुनियादी समझ उपज के लिए आवश्यक है । एक तरफ, तीन के रूप में पारंपरिक परीक्षणों-बिंदु झुकने, कॉंपैक्ट तनाव, और flexure परीक्षण सामांयतः macroscopic पैमाने पर फ्रैक्चर लक्षण वर्णन के लिए गोजातीय फीमर और टिबिया पर आयोजित किया जाता है6,7, 8. दूसरी ओर, सूक्ष्म पैमाने पर फ्रैक्चर की क्रूरता को मापने के लिए, विक्स की इंडेंटेशन फ्रैक्चर9प्रस्तावित किया गया था । माइक्रो फ्रॉम रेडियल क्रैकर्स जेनरेट करने के लिए विक्स के फ्रॉम का इस्तेमाल किया गया था । इसके अलावा, ओलिवर Pharr nanoindentation फ्रैक्चर कठिन विधि एक तेज घन कॉर्नर फ्रॉम10का उपयोग कर किया गया था ।

ऊपर nanoindentation आधारित में फ्रैक्चर क्रूरता अध्ययन, दरारें इस प्रकार उत्पन्न की लंबाई पर्यवेक्षक द्वारा मापा गया और एक अर्द्ध अनुभवजंय मॉडल फ्रैक्चर क्रूरता की गणना करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. हालांकि, इन तरीकों irreproducible, व्यक्तिपरक हैं, और परिणाम है पर्यवेक्षक कौशल पर अत्यधिक निर्भर करने के लिए दरार लंबाई ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी या स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग कर मापने की आवश्यकता के कारण । इसके अलावा, खरोंच परीक्षण नैनो पैमाने पर आयोजित किया गया, लेकिन अंतर्निहित गणितीय मॉडल भौतिकी आधारित नहीं है क्योंकि यह दरारें और दोष के कारण शक्ति में कमी के लिए खाते में नहीं है11। इस प्रकार, ज्ञान का अंतर मौजूद है: एक भौतिक विज्ञान आधारित यंत्रवत मॉडल पर आधारित सूक्ष्म स्तर पर फ्रैक्चर आकलन के लिए एक विधि । ज्ञान के इस अंतर सुअर नमूनों पर पहले ध्यान केंद्रित करके कॉंपैक्ट हड्डी को माइक्रो खरोंच परीक्षण के आवेदन5प्रेरित किया । यह अध्ययन अब गोजातीय cortical हड्डी को समझने के लिए आगे बढ़ाया गया है ।

दो नमूनों के विभिंन झुकाव संभव है: अनुदैर्ध्य अनुप्रस्थ और लघु अनुदैर्ध्य । अनुदैर्ध्य अनुप्रस्थ फीमर के अनुदैर्ध्य अक्ष को सीधा फ्रैक्चर गुणों से मेल खाती है । जबकि, अल् अनुदैर्ध्य फ्रैक्चर गुणों से मेल खाती है जो फीमर5के अनुदैर्ध्य अक्ष के साथ होता है । इस अध्ययन में, हम गोजातीय cortical हड्डियों के लिए खरोंच परीक्षण लागू करने के लिए कम अनुदैर्ध्य दिशा में अस्थि फ्रैक्चर प्रतिरोध की विशेषता ।

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Protocol

नोट: प्रोटोकॉल यहां वर्णित है, इलिनोइस संस्थागत पशु देखभाल और उपयोग समिति के पशु देखभाल दिशानिर्देश इस प्रकार है ।

1. नमूना खरीद

  1. एक संयुक्त राज्य कृषि विभाग (USDA) से ताजा काटा गोजातीय femurs लीजिए-प्रमाणित कसाईखाना और एक कूलर में प्लास्टिक एयर तंग बैग में उंहें परिवहन ।
    नोट: यहां किए गए अध्ययन के लिए, femurs पशुओं कि 24-30 महीने पुराने थे से एकत्र किए गए, मकई खिलाया, और १,०००-१,१०० पाउंड के बारे में तौला ।
  2. -20 डिग्री सेल्सियस पर femurs फ्रीज नमूना तैयारी प्रक्रिया की शुरुआत तक । इस तापमान femurs ताजा12,13,14रहता है ।

2. काटने, सफाई, और नमूनों embedding

  1. जमे हुए femurs को पानी के साथ एक कंटेनर में लगभग 2 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर गल ।
  2. एक मेज के ऊपर का उपयोग कर मध्य diaphysis क्षेत्र से 10-15 मिमी मोटी के बारे में कई डिस्क कट डायमंड बैंड के लिए वर्दी पार cortical हड्डी के अनुभागीय क्षेत्र के साथ नमूनों का उत्पादन देखा ।
  3. किसी भी कोमल ऊतक या cortical हड्डी से जुड़े मांस को हटाने के लिए एक विच्छेदन किट का प्रयोग करें ।
  4. एक कम गति पर एक हीरे वेफरिंग ब्लेड का उपयोग २.२ चरण में प्राप्त femurs के पार वर्गों में कटौती हड्डी के अनुदैर्ध्य अक्ष के साथ गीला शर्तों के तहत देखा कई मोटे तौर पर cuboidal वर्गों को प्राप्त करने के लिए ।
    नोट: यहां, केवल नमूना तैयारी और खरोंच कम पर प्रदर्शन परीक्षण-अनुदैर्ध्य नमूनों पर चर्चा कर रहे हैं । हालांकि, काटने की दिशा के लिए छोड़कर, तैयारी प्रक्रिया अनुप्रस्थ उंमुखीकरण के लिए एक ही रहता है ।
  5. एक अल्ट्रासोनिक क्लीनर में 20 मिनट की अवधि के लिए १.५% anionic क्लीनर और 5% ब्लीच का उपयोग कर तैयार समाधान में नमूनों को साफ करें ।
  6. हैंडलिंग और स्थिरता के लिए आसानी के लिए एक्रिलिक राल (स्पेसिफिकेशंस polymethyl methacrylate (पीएमएमए)) में cortical अस्थि नमूनों एंबेड ।
    1. को नमूनों एंबेड, पहले कोट एक रिलीज एजेंट के साथ मोल्ड की दीवारों । फिर एक चोंच में एक्रिलिक राल और सख्त मिश्रण, पीएमएमए निर्माता द्वारा दिए गए निर्देशों के अनुसार ।
    2. एक में कटौती cortical हड्डी नमूनों की सतह के साथ प्रत्येक मोल्ड में जगह नीचे का सामना करना पड़ खरोंच हो । इन तैयार नमूना धारकों में एक्रिलिक राल मिश्रण डालो । 4-5 एच तक की अवधि के लिए नमूनों का इलाज करते हैं ।
  7. 5 मिमी मोटी डिस्क में एम्बेडेड नमूनों में कटौती, खरोंच किया जा करने के लिए सतह को उजागर, कम गति का उपयोग करते हुए देखा और धातु के लिए पर नमूनों माउंट ३४ मिमी और ऊंचाई 5 मिमी व्यास की cyanoacrylate चिपकने का उपयोग कर डिस्क.
  8. एक हैंक्स संतुलित खारा समाधान (HBSS) में लथपथ गेज में नमूनों लपेटें और 4 ° c पर प्रशीतित जब तक आगे15,16का उपयोग करें ।

3. पीसने और चमकाने प्रोटोकॉल

नोट: एक पूर्व आवश्यक छोटे लंबाई तराजू पर उच्च परिशुद्धता परीक्षण के लिए नमूनों की एक चिकनी और समतल सतह है । पिछला चमकाने प्रोटोकॉल13,17 परिणाम एक बड़ी सतह किसी न किसी में, माप में पर्याप्त अशुद्धि के लिए अग्रणी । चुनौती कम औसत सतह किसी न किसी, से कम १०० एनएम को प्राप्त करने में निहित है, एक बड़े क्षेत्र पर 3 x 8 मिमी2 सतह ।

  1. 1 मिनट और 5 मिनट, क्रमशः के लिए ४०० धैर्य और ६०० धैर्य सिलिकॉन कार्बाइड कागज का उपयोग कर कमरे के तापमान पर गोजातीय cortical हड्डी नमूनों पीस । १०० rpm और १५० rpm, क्रमशः के आधार गति पर चक्की-पालिशगर बनाए रखने के ।
  2. मशीन प्रत्येक चरण के लिए 15 मिनट की अवधि के लिए ८०० और १,२०० धैर्य कागज पर गोजातीय cortical हड्डी नमूनों को कमरे के तापमान पर पीस । १५० rpm, ६० rpm के सिर की गति, और 1 पौंड के ऑपरेटिंग लोड की एक आधार गति पर चक्की-पालिशगर बनाए रखें ।
  3. पोलिश 3 µm, 1 µm, और ०.२५ µm डायमंड निलंबन समाधान का उपयोग कर एक कठिन, छिद्रित, गैर बुना कपड़ा ९० मिनट की अवधि के लिए प्रत्येक कमरे के तापमान पर एक ही क्रम में प्रयोग । 1 पौंड पर प्रत्येक कदम के लिए ऑपरेटिंग लोड को बनाए रखने के आधार और पालिशगर के सिर की गति के साथ ३०० rpm और ६० rpm, क्रमशः ।
  4. आधार और १०० rpm और ६० rpm के सिर की गति के साथ 1 पौंड पर ९० मिनट की अवधि के लिए एक नरम, सिंथेटिक रेयान कपड़े पर ०.०५ µm एल्यूमिना निलंबन समाधान का उपयोग कर नमूना पॉलिश, क्रमशः भी कमरे के तापमान पर ।
  5. डे के साथ एक चोंच में नमूनों रखो पानी और पीस और के अवशेषों को साफ चमकाने और पार संक्रमण से बचने के प्रत्येक लगातार कदम के बीच में 2 मिनट के लिए एक अल्ट्रासोनिक स्नान में चोंच डाल दिया ।
  6. सतह ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी और SEM इमेजिंग का उपयोग कर सुविधाओं को देखें ।
    नोट: के रूप में चित्रा 1, osteons, Haversian नहरों, सीमेंट लाइनों, मध्यवर्ती क्षेत्रों में दिखाया गया है, और अंतराल गोजातीय cortical हड्डी नमूनों पर मनाया गया । इन इमेजिंग तरीकों cortical हड्डी नमूनों की असुरक्षित, विषम, और अनिसोट्रोपिक प्रकृति प्रकट करते हैं । इसके अतिरिक्त, नमूनों की उंनत सतह परीक्षा पॉलिश सतह की गुणवत्ता का आकलन करने के लिए किया गया था । एक प्रतिनिधि पॉलिश सतह चित्रा 2में दिखाया गया है ।

4. माइक्रो स्क्रैच टेस्ट

नोट: माइक्रो खरोंच परीक्षण एक माइक्रो खरोंच परीक्षक (चित्रा 3) का उपयोग पॉलिश गोजातीय cortical हड्डी नमूनों पर प्रदर्शन कर रहे हैं. २०० µm और १२० ° के शीर्ष कोण के एक टिप त्रिज्या के साथ एक डायमंड Rockwell फ्रॉम स्टडी के लिए प्रयोग किया जाता है । साधन 30 N करने के लिए एक रैखिक प्रगतिशील लोड के आवेदन की अनुमति देता है इसके अलावा, उपकरण उच्च सटीकता सेंसर के साथ सुसज्जित है क्षैतिज लोड, पैठ गहराई, और ध्वनिक उत्सर्जन scratching के कारण उत्पंन मापने के लिए । साधन खरोंच खांचे के पैनोरमा पर कब्जा कर सकते हैं ।

  1. cortical हड्डी नमूनों की जांच करने से पहले, Rockwell फ्रॉम टिप के रूप में संदर्भ सामग्री3का उपयोग कर जांचना ।
  2. मंच पर cortical हड्डी नमूना रखें और ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप की स्थापना का उपयोग कर खरोंच परीक्षण की साइट का चयन माइक्रो खरोंच परीक्षक मॉड्यूल को एकीकृत.
  3. 30 mN और 30 एन के अंत लोड की एक शुरुआत लोड के साथ एक रैखिक प्रगतिशील लोड लागू करें । लोड दर ६० N/min और स्क्रैच लंबाई करने के लिए 3 मिमी करने के लिए सेट किया जाना चाहिए ।
  4. चित्रा 3में सचित्र के रूप में लघु अनुदैर्ध्य (चित्र बी) गोजातीय cortical हड्डी नमूनों पर खरोंच परीक्षणों की श्रृंखला प्रदर्शन ।
  5. गीला HBSS के साथ नमूना सतह हर तीन से चार खरोंच परीक्षण का एक सेट के बाद उंहें हाइड्रेटेड रखने के लिए ।
  6. गैर रेखीय फ्रैक्चर यांत्रिकी मॉडलिंग2पर आधारित खरोंच परीक्षण डेटा का विश्लेषण करें ।

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Representative Results

परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी पॉलिश सतह की किसी न किसी को मापने के लिए इस्तेमाल किया गया था । अंगूठे का एक नियम के रूप में, नमूना एक अच्छी तरह से पॉलिश एक के रूप में उत्तीर्ण अगर सतह किसी न किसी प्रकार ब्याज की सतह सुविधाओं से छोटे परिमाण के एक आदेश है । इस मामले में, एक ४० µm x ४० µm क्षेत्र पर ६० एनएम के मापा सतह किसी न किसी स्पष्ट रूप से इस कसौटी के भीतर गिर जाता है ।

चित्रा 4 , कम अनुदैर्ध्य गोजातीय cortical हड्डी नमूना पर प्रदर्शन प्रतिनिधि खरोंच परीक्षण के प्रवेश गहराई ग्राफ बनाम बल से पता चलता है. ऊर्ध्वाधर बल निर्धारित वृद्धिशील लोड है, जबकि क्षैतिज बल जांच द्वारा अनुभव मापा प्रतिरोध है । चित्रा 5 खंडित लघु अनुदैर्ध्य गोजातीय cortical हड्डी की सतह के स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियों से पता चलता है. इस छवि छिल और सतह और ऐसे सूक्ष्म खुर, दरार विक्षेपन के रूप में आंतरिक toughening तंत्र की घटना के गुच्छन से पता चलता है, और दरार पाटने । माइक्रो खरोंच परीक्षण डेटा गैर रेखीय फ्रैक्चर यांत्रिकी मॉडलिंग2के आधार पर MATLAB लिपियों का उपयोग कर विश्लेषण किया है । फ्रैक्चर की प्रक्रिया की घटना से पहले, वहां प्लास्टिक अपव्यय18होगा । पैठ गहराई बढ़ जाती है के रूप में, फ्रैक्चर प्रक्रियाओं सक्रिय कर रहे हैं ।

सूक्ष्म अवलोकन के आधार पर, हम एक भी प्रचार दरार पर विचार के रूप में चित्र बीमें दिखाया गया है । हम एक रैखिक फ्रैक्चर यांत्रिकी मॉडल1,2 का निर्माण करने के लिए खरोंच बल की स्केलिंग की भविष्यवाणी । ऊतक के स्तर पर cortical हड्डी के लिए एक सजातीय अनुप्रस्थ आइसोट्रोपिक microstructure माना जाता है । चित्रा 6 कम अनुदैर्ध्य cortical अस्थि नमूनों की फ्रैक्चर कठिनता के बल स्केलिंग से पता चलता है. एक तन्य-भंगुर संक्रमण प्रवेश गहराई बदलती द्वारा शुरू की है । भंगुर और फ्रैक्चर-संचालित शासन में, खरोंच बल मात्रा के लिए आनुपातिक है, जहां जांच आकार समारोह Equation 3 Equation 1 1,2, Equation 2 3,4है, 5. इसलिए, फ्रैक्चर क्रूरता, 1,2,3,4, Equation 4 5 एक निरंतर की ओर एकाग्र । इसके अलावा, जो एक भंगुर फ्रैक्चर से मेल खाती है एक Kc मान के रूप में एक परीक्षण के लिए बल स्केलिंग साजिश पर सूचना दी है चित्रा 6में दिखाया गया है । १०२ सूक्ष्म खरोंच परीक्षण लघु अनुदैर्ध्य गोजातीय cortical हड्डी नमूनों पर आयोजित किए गए के रूप में चित्रा 7में दिखाया गया है । ग़ैर परीक्षणों के नमूनों के अनुरूप है जो तैयारी और खारा समाधान में भंडारण के एक सप्ताह के बाद परीक्षण किया गया । एक बहुत लंबी अवधि के लिए नमूना भंडारण खारा अलग फ्रैक्चर मुश्किल मूल्यों के लिए अग्रणी समाधान से गठन वेग के कारण सतह बदल दिया । समग्र फ्रैक्चर मुश्किल मूल्य प्राप्त 4.05 ± 0.63 MPa है ।Equation 5 साहित्य २.५ से ५.५ MPaEquation 56,8की सीमा में फ्रैक्चर मुश्किल मूल्यों की सूचना दी । इन परिणामों से पता चलता है कि फ्रैक्चर मुश्किल मूल्यों सूक्ष्म खरोंच परीक्षणों से रिपोर्ट साहित्य के अनुसार कर रहे हैं ।

Figure 1
चित्रा 1: एक हड्डी नमूनों के विभिंन पदानुक्रमित स्तर और प्रयोगात्मक जांच प्रत्येक स्तर पर आयोजित दिखा ग्राफ । क्षैतिज अक्ष macroscale से नेनो तक की लंबाई स्केल से संबंधित है और अनुलंब अक्ष उस समय स्केल से मेल खाती है जिस पर प्रत्येक स्तर के संगत प्रयोग किए जाते हैं । (इमेज क्रेडिट: Kavya मेंदु). कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: (क) एल्यूमीनियम डिस्क नमूनों के लिए एक आधार के रूप में इस्तेमाल किया और (ख) अच्छी तरह से पॉलिश लघु अनुदैर्ध्य हड्डी नमूना के डिजिटल तस्वीरें । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: माइक्रो स्क्रैच टेस्ट. गोजातीय cortical बोन नमूना (A) पर माइक्रो स्क्रैच परीक्षण का डिजिटल फोटोग्राफ । एक Rockwell जांच १२०ओ के एक शीर्ष कोण cortical हड्डी Polymethyl Methacrylate में एंबेडेड नमूने की पड़ताल । (ख) एक खरोंच जांच की योजनाबद्ध एक छोटी अनुदैर्ध्य नमूना में फ्रैक्चर की एक मिश्रित मोड के आगमन दिखा हड्डी सामग्री हल । (श्रेयस: अंगे-Therese Akono, अमृता कटारुका, आणि Kavya मेंदु). कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: खरोंच नाली । खरोंच नाली के पैनोरमा के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी छवि (A) । (ख) खरोंच नाली की लंबाई के साथ बल बनाम गहराई की इसी साजिश । क्षैतिज बल प्रतिरोधक घर्षण शक्ति माइक्रो खरोंच परीक्षक चरण से जुड़ी सेंसर द्वारा पता चला और ऊर्ध्वाधर बल प्रगतिशील रैखिक cortical हड्डी नमूना पर लागू बल के अनुरूप है बल से मेल खाती है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) छवियां । खरोंच नाली के SEM छवियां ऐसी दरार विक्षेपन के रूप में सूक्ष्म तंत्र दिखा रहा है, दरार पाटने, फाइबर पाटने, और अलग आवर्धन स्तर पर छिल (A) 40X (B) 10, 000X (C) 2, 400X (D) 5, 000X. फ्रेडरिक Seitz सामग्री विज्ञान प्रयोगशाला और Beckman संस्थान, Urbana Champaign में इलिनोइस विश्वविद्यालय में कम वैक्यूम स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग कर कैप्चर किया गया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: खरोंच बल और सूक्ष्म खरोंच छवि । (क) खरोंच की लंबाई के साथ खरोंच बल के स्केलिंग फ्रैक्चर मुश्किल के अभिसरण से पता चलता है । क्षैतिज बल है और जांच आकृति फ़ंक्शन है जो ज्यामिति और पैठ गहराई पर निर्भर करता है । Equation 1 Equation 3 (ख) लघु अनुदैर्ध्य दिशा में गोजातीय हड्डी पर एक माइक्रो खरोंच के Panoramic ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी छवि । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्रा 7: फ्रैक्चर मुश्किल । लघु अनुदैर्ध्य गोजातीय cortical अस्थि नमूनों पर किए गए १०२ माइक्रो स्क्रैच परीक्षणों के फ्रैक्चर के कड़े मूल्यों को दर्शाने वाला प्लाट । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

सूक्ष्म खरोंच परीक्षण एक मिश्रित मोड फ्रैक्चर3प्रेरित । इसके अलावा, कम अनुदैर्ध्य गोजातीय cortical अस्थि नमूनों में, फ्रैक्चर प्रक्रियाओं जांच के रूप में सक्रिय हैं । एक 3 मिमी लंबे खरोंच के लिए, प्रिज्मीय मात्रा जांच के आसपास ३,६०० µm लंबे, ६०० µm चौड़ा है, और ४८० µm गहरी । यह बड़ी मात्रा में एक homogenized प्रतिक्रिया की भविष्यवाणी में मदद की । एक गैर रेखीय फ्रैक्चर यांत्रिकी मॉडल J-अभिंन गणना1,2,4के आधार पर फ्रैक्चर प्रतिरोध को निकालने के लिए सक्षम होना चाहिए ।

गोजातीय cortical हड्डी नमूनों परीक्षण के लिए एक बड़ा क्षेत्र प्रदान जब सुअर नमूनों की तुलना में जो पहले प्रकाशन के लिए इस्तेमाल किया गया था5। हालांकि, वहां सुअर से गोजातीय cortical हड्डी नमूनों को microstructure सुविधाओं के आकार में एक इसी अंतर है । यह गोजातीय नमूनों के लिए एक नया चमकाने प्रोटोकॉल के विकास के लिए नेतृत्व किया । इसके अलावा, विधि के विकास के दौरान, यह देखा गया कि तैयार गोजातीय cortical अस्थि नमूनों की तैयारी के बाद एक सप्ताह के भीतर परीक्षण किया जाना चाहिए । यह खारा समाधान है, जो काफी परीक्षण के परिणाम को प्रभावित हो सकता है के कारण गोजातीय नमूनों पर अवशेषों के गठन से बचने के लिए है ।

इसके अलावा, लघु अनुदैर्ध्य गोजातीय cortical अस्थि नमूनों पर किए गए परीक्षणों ने पर्यावरणीय स्थितियों और मानकीकृत नमूना तैयारी प्रोटोकॉल को नियंत्रित किया था । इस अध्ययन में लघु अनुदैर्ध्य गोजातीय cortical हड्डी नमूनों के लिए कम अनुदैर्ध्य सुअर cortical बोन नमूनों के लिए पहले 23% की रिपोर्ट से परीक्षण के परिणामों की परिवर्तनशीलता में कमी करने के लिए नेतृत्व किया5 से 15%. हालांकि, चित्रा 7में, ग़ैर परीक्षण के परिणाम खारा पानी या खरोंच खुद के स्थान में भंडारण की अवधि की तरह विभिन्न कारणों के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है । फिर भी, यह देखते हुए कि हड्डी मेसो में विषम है-और सूक्ष्म लंबाई तराजू, परिवर्तनशीलता की एक निश्चित राशि की उंमीद है ।

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी इन खरोंच परीक्षणों के दौरान फ्रैक्चर प्रक्रियाओं की घटनाओं से पता चलता है । मेसो पैमाने पर माइक्रो खुर के रूप में Toughening तंत्र, दरार विक्षेपन, और अतिसूक्ष्म और उप माइक्रोन पैमाने पर ब्रिजिंग फाइबर पर पाटने दरार देखा गया ( चित्रा 5देखें) । इस toughening के अनुसार साहित्य में पहले रिपोर्ट19तंत्र के साथ है । इस प्रकार, माइक्रो स्क्रैच परीक्षण मेसो स्केल से गोजातीय cortical अस्थि नमूनों के फ्रैक्चर गुणों को सूक्ष्म पैमाने पर निर्धारित करते हैं ।

विधि है कि हम यहां का प्रस्ताव नमूनों की एक छोटी संख्या की आवश्यकता है और छोटे लंबाई तराजू पर नमूनों के परीक्षण में सक्षम बनाता है । उदाहरण के लिए, भंगुर संक्रमण के लिए तन्य विभिंन आकारों के नमूनों के साथ काम करते हुए एक निरंतर पहलू अनुपात होने से macroscopic पैमाने पर पेश किया है । आकार प्रभाव फ्रैक्चर आकलन तकनीक के अनुसार, एक फ्रैक्चर बेरहमी मूल्य20,21का अनुमान लगाने के लिए आवश्यक है कम से कम 5 अलग आकार के नमूनों । इस प्रकार, १०२ फ्रैक्चर मुश्किल मूल्यों का अनुमान है, macroscopic परीक्षण लगभग ५१० नमूनों की जरूरत है जो समय और संसाधनों का एक बहुत कुछ शामिल है । इस प्रकार, इस विधि का प्रस्ताव हम एक तेज दर पर फ्रैक्चर मुश्किल का अनुमान है और अधिक किफायती है । इसके अलावा, अलग पदानुक्रमित स्तर पर फ्रैक्चर विशेषताओं को समझने के लिए हमें और अधिक कुशलता से हड्डी के यांत्रिकी समझने के लिए सक्षम बनाता है । इसके अलावा, परीक्षण कुशल है, प्रतिलिपि, और आसानी से पर्यावरण नियंत्रण की एक विस्तृत श्रृंखला के तहत किया जा सकता है । उदाहरण के लिए, परीक्षण एक पर्यावरण चैंबर में एक खारा समाधान में डूबे नमूनों बाहर किया जा सकता है के लिए इन विट्रो शर्तों में अनुकरण । इसके अलावा, विधि हड्डी में anisotropy को पकड़ने के लिए अनुदैर्ध्य अनुप्रस्थ दिशा में अस्थि भंग मुश्किलों का परीक्षण करने के लिए भी लागू किया जाएगा । इस प्रकार, हमारे विधि जैविक ऊतकों के फ्रैक्चर के आकलन के लिए एक उपंयास का मतलब है ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

यह काम सिविल और पर्यावरण अभियांत्रिकी विभाग और Urbana Champaign में इलिनोइस विश्वविद्यालय में इंजीनियरिंग के कॉलेज द्वारा समर्थित किया गया था । हम Kavya मेंदु के स्नातक अध्ययन के समर्थन के लिए रवींद्र Kinra और कविता Kinra फैलोशिप स्वीकार करते हैं । स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी जांच Urbana Champaign में इलिनोइस विश्वविद्यालय में फ्रेडरिक Seitz सामग्री अनुसंधान प्रयोगशाला और Beckman संस्थान की सुविधाओं पर किया गया ।

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

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References

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इंजीनियरिंग १२९ अंक Cortical हड्डी गोजातीय नमूनों माइक्रो खरोंच तकनीक भंग स्केलिंग ऑस्टियोपोरोसिस फ्रैक्चर मुश्किल
खरोंच परीक्षण का उपयोग कर गोजातीय Cortical हड्डी की कमजोरी आकलन
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Mendu, K., Kataruka, A., Puthuvelil, … 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).

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