Kazıma testi kullanarak sığır kemik kırılganlığını değerlendirilmesi
Summary
Bu çalışmada, mikroskobik kazıma testi kullanarak alt-meso düzeyde sığır kortikal kemik kırığı kırılmaya karşı dayanıklılık değerlendiriyor. Bu orijinal, objektif, titiz, ve kırık tokluk makroskopik ölçek altında soruşturma tekrarlanabilir yöntemi önerdi. Potansiyel uygulamalar değişiklikler nedeniyle Osteoporoz gibi hastalıkların kemik kırılganlığını inceliyorlar.
Abstract
Organizasyon beş farklı düzeyde olan karmaşık bir hiyerarşik malzeme kemiktir. Yaşlanma gibi faktörler ve Osteoporoz gibi hastalıkların kemik kırığı eğilimli yapma, kırılganlık artar. Kemik kırığı bizim toplumda büyük sosyo-ekonomik etkisi sayesinde, kemik hiyerarşik her düzeyde mekanik performansını değerlendirmek yeni yollar için bir ihtiyaç vardır. Her ne kadar sertlik ve güç tüm ölçeklerde-nano – mikro, Mezo-, probed ve makroskopik – kırığı değerlendirmesi defa makroskopik test için sınırlı olmuştur. Bu sınırlama kemik kırığı anlayışımızı kısıtlar ve laboratuar ve klinik çalışmalar kapsamını sınırlar. Bu araştırmada, mikroskobik kemiğinden mikro kazıma testi doğrusal olmayan kırılma mekaniği ile kombine kullanarak mezoskopik uzunluğu ölçekler için kırılma direncini araştırıyoruz. Testler sığır kemik numuneler üzerinde kısa boyuna yönlendirme yapılmaktadır. Bir titiz deneysel protokol geliştirilmiş ve çok sayıda (102) testleri kırık tokluk kemik Mikroyapı ile ilişkili heterojenite için muhasebe sırasında kortikal kemik örneklerin değerlendirmek için yapılır.
Introduction
Bu çalışmada, bir roman mikro sıfırdan tekniği1,2,3,4kullanarak kırık kırılmaya karşı dayanıklılık (lamel düzeyi) microscale mesoscale (osteonları) sığır kompakt kemiği ölçmek, 5. Çatlamak başlatma ve çatlamak yayma gibi kemik kırığı işlemlere doğrudan uzunluğu ölçekler farklı yapısal bileşenlerinin ve organizasyon hiyerarşisinin farklı düzeylerde tarafından etkilenmektedir. Bu nedenle, kemik kırığı daha küçük uzunluk ölçeklerde değerlendirilmesi için verimli bir temel anlayış kemik kırılganlık esastır. Bir yandan, üç sayılık bükme gibi geleneksel testleri kompakt gerginlik ve kivrimi sınamaları yaygın olarak sığır femur ve tibia kırığı karakterizasyonu makroskopik ölçek6,7, için yürütülen 8. Öte yandan, kırık tokluk mikroskobik ölçekte ölçmek için önerilen9Vicker’ın girinti kırık oldu. Mikro girinti Radyal çatlaklar oluşturmak için Vicker’ın uç kullanılarak gerçekleştirildi. Ayrıca, Oliver Pharr nanoindentation kırık tokluk yöntemi kullanarak bir keskin küp köşe uç10gerçekleştirildi.
Yukarıdaki temel nanoindentation kırık tokluk çalışmalarda böylece üretilen çatlaklar uzunlukları gözlemci tarafından ölçüldü ve yarı deneysel bir model kırık tokluk hesaplamak için kullanıldı. Ancak, bu yöntemler irreproducible, öznel ve sonuçları son derece gözlemcinin beceri optik mikroskobu kullanılarak veya elektron mikroskobu tarama çatlamak uzunlukları ölçmek için ihtiyaç nedeniyle bağlı. Ayrıca, kazıma testi nano ölçekte yapılmıştır, ancak gücü çatlaklar nedeniyle azalma için hesaba katmaz ve11kusurları gibi temel matematiksel model fizik tabanlı değildir. Böylece, bir boşluk bilgi var: bir yöntem mikroskobik düzeyde kırığı değerlendirmesi için temel bir fizik tabanlı mekanik modeli. Bu boşluğu bilgi mikro kazıma testi uygulanması kemik ilk domuz numuneler5üzerinde odaklanarak kompakt için motive. Çalışma artık daha fazla sığır kemik anlamaya biçimde genişletilmiştir.
Örneklerin iki farklı yönelimleri mümkündür: boyuna enine ve kısa boyuna. Boyuna enine özellikleri femur boyuna eksenine dikey kırık karşılık gelir. Oysa, kısa boyuna karşılık gelen kırık özelliklerine uyluk kemiği5boyuna ekseni boyunca. Bu çalışmada, sığır kortikal kemik kemik kırığı direnci kısa boyuna yönde karakterize etmek için sıfırdan test uygulanır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikro kazıma testi karma mod kırık3neden. Ayrıca, sonda daha derin kazılar gibi kısa boyuna sığır kortikal kemik örnekleri kırık işlemler etkinleştirilir. 3 mm uzun çizik için probed Prizmatik yaklaşık 3600 µm uzun, 600 µm geniş ve 480 µm derin birimdir. Bu büyük hacimli bir homojenize öngörmede içinde yardımcı oldu. Doğrusal olmayan kırılma mekaniği manken üzerinde Jdayalı kırık direnç ayıklamak için bize etkin-ayrılmaz hesaplama…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser iç bölümü ve çevre mühendisliği ve Mühendislik Fakültesi, University of Illinois Urbana Champaign tarafından desteklenmiştir. Dar ve derin koyak Kinra ve Kavita Kinra dostluk Kavya Mendu lisansüstü çalışmaları desteklemek için anıyoruz. Elektron mikroskobu soruşturma tarama Frederick Seitz malzeme araştırma laboratuvarı ve University of Illinois Urbana Champaign, Beckman Enstitüsü tesislerinde gerçekleştirilmiştir.
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).
