Beoordeling van de kwetsbaarheid van boviene corticaal bot met behulp van kras Tests
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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</e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
References
- 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. , (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, 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, (1997).
