Skjørhet vurdering av bovin kortikalt benvev bruker Scratch tester
Summary
Denne studien vurderer Slagseighet av bovin kortikalt benvev på sub-meso nivåene med mikroskopiske scratch tester. Dette er en original, objektiv, grundig, og reproduserbar metode foreslått å undersøke Slagseighet under makroskopisk. Potensielle studere endringer i bein skjørhet på grunn av sykdommer som osteoporose.
Abstract
Bone er en innviklet hierarkisk materiale med fem forskjellige nivåer av organisasjonen. Faktorer som aldring og sykdommer som osteoporose øke sårbarheten i bein, slik at det blir utsatt for brudd. På grunn av store sosio-økonomiske virkningen for beinbrudd i vårt samfunn er det behov for romanen måter å vurdere mekanisk hvert hierarkisk nivå av bein. Selv om stivhet og styrke kan bli undersøkt på alle vekter-nano-, mikro-, meso-, og makroskopisk-brudd vurdering har så langt vært begrenset til makroskopisk testing. Denne begrensningen begrenser vår forståelse for beinbrudd og begrenser omfanget av laboratorie- og kliniske studier. I denne forskningen undersøker vi brudd motstanden av bein fra den mikroskopiske å Mesoskopisk lengde skalaer bruker micro scratch tester kombinert med lineære brudd mekanikk. Testene utføres kort langsgående retningen på storfe kortikale bone prøver. En grundig eksperimentelle protokoll er utviklet og mange (102) tester er gjennomført for å vurdere Slagseighet av kortikalt benvev mens regnskap for heterogenitet knyttet bein mikrostruktur.
Introduction
I denne studien måle vi Slagseighet av bovin kompakt bein fra mesoscale (osteons) å Mikroskala (lamellær nivå) bruker en mikro scratch teknikken1,2,3,4, 5. Frakturstedet prosesser inkludert sprekk initiering og sprekk forplantning i bein er direkte påvirket av lengde skalaer ulike strukturelle bestanddeler og organisasjonen på ulike nivåer i hierarkiet. Vurdere Beinbrudd på mindre lengde vekter er derfor viktig å gir en grunnleggende forståelse av bein skjørhet. På den ene siden, konvensjonelle tester som tre-punkts bøying, kompakt spenning og flexure tester utføres vanligvis på storfe femur og tibia for brudd karakterisering på makroskopisk6,7, 8. derimot, for å måle Slagseighet på mikroskopisk skalaen, Vicker innrykk brudd var foreslåtte9. Mikro innrykk ble utført ved hjelp av Vicker indenter for å generere radiale sprekker. Videre ble Oliver Pharr nanoindentation brudd seighet metoden utført med en skarp kube hjørne indenter10.
I ovenfor nanoindentation basert brudd seighet studiene, lengdene av sprekker dermed genereres ble målt med observatør og en semi empirisk modell ble brukt til å beregne Slagseighet. Men disse metodene er ved uforklarlige, subjektive, og resultatene er svært avhengig av observatørens dyktighet på grunn av behovet for å måle sprekk lengder bruker optisk mikroskopi eller skanning elektronmikroskop. Videre scratch tester ble utført i nano-skala, men den underliggende matematisk modellen er ikke fysikk-basert som det ikke høyde for reduksjon i styrke på grunn av sprekker og feil11. Dermed et tomrom kunnskap finnes: en metode for brudd vurdering på mikroskopisk nivå basert på en fysikk-basert mekanistisk modell. Dette gapet kunnskap motivert anvendelsen av mikro scratch tester komprimere bein ved å fokusere først på svin prøver5. Studien har nå blitt ytterligere utvidet for å forstå bovin kortikalt benvev.
To forskjellige retninger på de er mulig: langsgående transverse og kort langsgående. Langsgående tverrstilt tilsvarer for å brudd egenskaper vinkelrett på den langsgående aksen av femur. Mens kort langsgående tilsvarer egenskapene brudd langs den langsgående aksen av femur5. I denne studien bruker vi scratch testing bovin kortikale bein å karakterisere benets brudd motstand i den korte lengderetningen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikro scratch tester indusere en blandet modus brudd3. Videre i kort langsgående bovin kortikale bein prøver, er brudd prosesser aktivert som sonden graver dypere. For en 3 mm lange avlyse er prismatiske volumet analysert ca 3600 µm lang, 600 µm bredt og 480 µm dypt. Det store volumet hjalp forutse homogenisert svar. En ikke-lineær brudd mekanikk modell mulig for oss å pakke brudd motstanden basert på J-integrert beregning1,2</s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Department of Civil og Environmental Engineering og College of Engineering ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Vi erkjenner Ravindra Kinra og Kavita Kinra fellesskap for å støtte diplomstudium i Kavya Mendu. Skanning elektronmikroskop undersøkelsen ble gjennomført på anlegg av Frederick Seitz materiale Research Laboratory og Beckman Institute ved University of Illinois i 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).
