Évaluation de fragilité de l’OS Cortical Bovine à l’aide de Tests de Scratch
Summary
Cette étude évalue la ténacité à la rupture de l’os cortical bovine au niveau sub-méso utilisant des examens microscopiques de zéro. Il s’agit d’un original, objectif, rigoureux, et reproductible méthode proposée pour sonder la ténacité à la rupture inférieure à l’échelle macroscopique. Applications potentielles étudient les changements dans la fragilité osseuse dues à des maladies comme l’ostéoporose.
Abstract
Bone est un matériau complex hiérarchique à cinq niveaux distincts de l’organisation. Des facteurs comme le vieillissement et les maladies comme l’ostéoporose augmentent la fragilité des os, ce qui en fait sujettes à rupture. En raison de l’impact socio-économique grande fracture osseuse dans notre société, il y a un besoin de nouvelles façons d’évaluer les performances mécaniques de chaque niveau hiérarchique de l’OS. Bien que rigidité et la résistance peuvent être sondées à toutes les échelles-nano-, micro-, méso-, et macroscopique – fracture évaluation a jusqu’à présent été limitée à tests macroscopiques. Cette restriction limite notre compréhension de la fracture de l’os et limite la portée des études cliniques et de laboratoire. Dans cette recherche, nous étudions la résistance à la rupture de l’OS la microscopique des échelles de longueur mésoscopique à l’aide de micro rayures tests combinés avec la mécanique non linéaire de la rupture. Les essais sont effectués dans le sens longitudinal court sur des spécimens de l’os cortical bovine. On élabore un plan expérimental méticuleux et un grand nombre (102) des tests sont effectués pour évaluer la ténacité des spécimens de la corticale osseuse tout en tenant compte de l’hétérogénéité associée à la microstructure osseuse.
Introduction
Dans cette étude, nous mesurons la ténacité à la rupture de l’OS compact bovin de la méso-échelle (osteons) à la micro-échelle (niveau lamellaire) en utilisant une nouvelle technique de grattage micro1,2,3,4, 5. Processus de rupture y compris initiation et le crack propagation des fissures dans les os sont directement influencés par les échelles de longueur en raison de l’organisation à différents niveaux de la hiérarchie et les différents constituants structures. Évaluer la fracture de l’os à plus petites échelles de longueur est donc essentiel de ce qui donne une compréhension fondamentale de la fragilité osseuse. D’une part, les tests conventionnels tels que la flexion trois points, compact de tension, et flexion sont couramment effectués sur bovin fémur et le tibia pour la caractérisation de la fracture à l’échelle macroscopique6,,7, 8. en revanche, pour mesurer la ténacité à l’échelle microscopique, fracture d’indentation du Vicker a proposé9. Indentation micro a effectué un pénétrateur de la Vicker pour générer des fissures radiales. En outre, la méthode Oliver Pharr nanoindentation fracture toughness a été réalisée à l’aide d’un cube sharp angle pénétrateur10.
Dans les études de ténacité fracture nanoindentation basée susmentionnées, les longueurs des fissures ainsi générées ont été mesurées par l’observateur et un modèle semi-empirique a servi à calculer la ténacité. Cependant, ces méthodes sont reproductibles, subjective, et les résultats dépendent fortement de la compétence de l’observateur en raison de la nécessité de mesurer la longueur de la fissure à l’aide de la microscopie optique ou microscope électronique à balayage. En outre, scratch tests ont été menés à l’échelle nanométrique, mais le modèle mathématique sous-jacente n’est pas basé sur la physique car il ne tient pas compte de la réduction des effectifs en raison de fissures et défauts11. Ainsi, il existe un écart de connaissances : une méthode d’évaluation de la fracture à l’échelle microscopique basée sur un modèle mécaniste basé sur la physique. Ce fossé du savoir motivé la candidature de micro rayures tests à compact OS en se concentrant d’abord sur des spécimens porcine5. L’étude a maintenant été étendue pour comprendre l’os cortical bovine.
Deux orientations différentes des spécimens sont possibles : longitudinale transversale et short longitudinale. Longitudinale transversale correspond pour fracturer les propriétés perpendiculaires à l’axe longitudinal du fémur. Considérant que, court longitudinal correspondant aux propriétés fracture le long de l’axe longitudinal du fémur5. Dans cette étude, nous appliquons essai de rayure à l’OS corticales de bovins pour caractériser la résistance à la rupture de l’os dans le sens longitudinal court.
Protocol
Representative Results
Discussion
Micro rayures tests induit une fracture mixte3. En outre, dans les spécimens de l’os cortical bovine longitudinale court, processus de rupture sont activés comme la sonde creuse plus profondément. Pour une égratignure longue de 3 mm, le volume prismatique a sondé est environ 3 600 µm de longueur, 600 µm de largeur et 480 µm profond. Cet important volume a aidé à prédire une réponse homogénéisée. Un modèle mécanique de rupture non linéaire nous a permis d’extraire la résistan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le Department of Civil et génie de l’environnement et la faculté d’ingénierie à l’Université de l’Illinois à Urbana Champaign. Nous reconnaissons le Ravindra Kinra et Kavita Kinra bourses pour soutenir les études supérieures de Kavya Mendu. Enquête de microscopie électronique à balayage a été réalisée dans les installations du laboratoire de recherche en matériaux Frederick Seitz et Beckman Institute à l’Université de l’Illinois à 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).
