Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

Skrøbelighed vurdering af kvæg kortikale knogle ved hjælp af Scratch Tests

doi: 10.3791/56488 Published: November 30, 2017

Summary

Denne undersøgelse vurderer bovin kortikale knogle på sub-meso niveauer ved hjælp af scratch mikroskopitest brudsejhed. Dette er en original, mål, strenge, og reproducerbar metode foreslået at sonde brudsejhed nedenfor på makroskopisk skala. Potentielle anvendelser er at studere ændringer i knoglen skrøbelighed på grund af sygdomme som knogleskørhed.

Abstract

Bone er en kompliceret hierarkisk materiale med fem forskellige niveauer af organisationen. Faktorer såsom aldring og sygdomme som knogleskørhed øge knogle, hvilket gør det brud-tilbøjelige skrøbelighed. På grund af den store socioøkonomiske konsekvenser for knoglebrud i vores samfund er der behov for nye måder at vurdere hver hierarkisk niveau af knogle mekanisk ydeevne. Selv om stivhed og styrke kan blive aftestede på alle skalaer-nano-, mikro-, meso-, og makroskopiske-fraktur vurdering har hidtil været begrænset til makroskopisk test. Denne begrænsning begrænser vores forståelse af knoglebrud og begrænser omfanget af laboratorium og kliniske undersøgelser. I denne forskning undersøger vi fraktur modstand af knoglen fra den mikroskopiske til mesoskopisk længdeskalaer med mikro Skrab tests kombineret med ikke-lineære fraktur mekanik. Testene udføres i korte langsgående orientering om bovin kortikale knogle prøver. En omhyggelig eksperimentel protokol er udviklet og et stort antal (102) af tests er foretaget til at vurdere brudsejhed af kortikale knogle enheder samtidig tegner sig for den heterogenitet, knyttet til knogle mikrostruktur.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

I denne undersøgelse måle vi brudsejhed bovin kompakt knogle fra mesoscale (osteons) til individuel (brudfremkaldende niveau) ved hjælp af en ny mikro Skrab teknik1,2,3,4, 5. Fraktur processer herunder knæk indledning og knæk opformering i knogle påvirkes direkte af længdeskalaer på grund af de forskellige strukturelle bestanddele og organisation på forskellige niveauer i hierarkiet. Derfor er vurdere knoglebrud på mindre længdeskalaer vigtigt at giver en grundlæggende forståelse af knogle skrøbelighed. På den ene side konventionelle tests såsom tre-punkts bøjning, kompakt spændinger, og flexure tests udføres almindeligvis på kvæg femur og tibia for fraktur karakterisering på makroskopisk skala6,7, 8. på den anden side for at måle brudsejhed på mikroskopisk skala, Vickers indrykning fraktur var foreslåede9. Micro indrykning blev udført ved hjælp af Vicker's indenter til at generere radiale sprækker. Derudover blev Oliver Pharr nanoindentation fracture sejhed metode udført ved hjælp af en skarp cube hjørne indenter10.

I de ovennævnte nanoindentation baseret fracture sejhed undersøgelser, længder af revner således genereret blev målt af observatøren og en semi-empiriske model blev brugt til at beregne brudsejhed. Men disse metoder er h├ªnger, subjektiv, og resultaterne er meget afhængige af observatørens dygtighed nødvendigt at måle den knæk længder ved hjælp af Optisk mikroskopi eller scanning elektronmikroskopi. Desuden bunden tests blev udført på nanoskala, men den underliggende matematisk model er ikke fysik-baseret så det ikke tager højde for reduktionen i styrke på grund af revner og mangler11. Således, en kløft af viden eksisterer: en metode for vurdering af knoglebrud på mikroskopiske niveau baseret på en fysik-baseret mekanistiske model. Denne forskel i viden motiveret anvendelse af mikro Skrab test til kompakte knogle ved først at fokusere på svin prøver5. Undersøgelsen er nu blevet yderligere udvidet for at forstå bovin kortikale knogle.

To forskellige orienteringer af enhederne er muligt: langsgående tværgående og korte langsgående. Langsgående tværgående svarer til fraktur Egenskaber vinkelret på længdeaksen af lårbenet. Paa korte langsgående svarer til egenskaberne fraktur langs den langsgående akse af lårbenet5. I denne undersøgelse anvender vi, ridse test til kvæg kortikale knogler til at karakterisere den knogle fraktur modstand i den korte langsgående retning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Bemærk: Den protokol, der er beskrevet her, følger retningslinjerne dyrs pleje af Illinois institutionelle dyrs pleje og brug udvalget.

1. eksemplar indkøb

  1. Indsamle friskhøstede bovin lårben fra USA 's Department of landbrug USDA-certificeret slagteri og transportere dem i plastik air tight poser i et køligere.
    Bemærk: For undersøgelse foretaget her, lårben var opsamlet fra dyr, der var 24-30 måneder gamle, corn-fed og vejede omkring 1.000 - 1.100 pounds.
  2. Fryse lårben på -20 ° C indtil starten af proceduren eksemplar forberedelse. Denne temperatur holder lårben frisk12,13,14.

2. skæring, rengøring og integrere enhederne

  1. Optø frosne lårben i en beholder med vand i ca 2 timer ved stuetemperatur.
  2. Klippe flere diske ca 10-15 mm tykke fra midten diaphysis regionen ved hjælp af en tabel top diamant båndsav til at producere prøver med ensartede tværsnitsareal af kortikale knogle.
  3. Brug en dissektion kit til at fjerne bløde væv eller kød er knyttet til den kortikale knogle.
  4. Cut tværsnit af lårben fremstillet i trin 2.2 ved hjælp af en diamant-wafering klinge på en lav hastighed så under våde forhold langs den langsgående akse af knoglen at opnå flere groft cuboidal sektioner.
    Bemærk: Her, kun prøvepræparation og bunden prøvninger på kort-langsgående enheder drøftes. Dog bortset fra retningen til at skære forbliver forberedelse proceduren den samme for den tværgående orientering.
  5. Ren modellerne i en løsning tilberedt med 1,5% anioniske renere og 5% blegemiddel for en varighed af 20 min i en ultralyds renere.
  6. Integrere kortikale knogle prøver i akryl harpiks (heri polymethylmethacrylat (PMMA)) for at lette håndteringen og stabilitet.
    1. Hvis du vil integrere enhederne, først pels væggene i formen med en release agent. Derefter blandes akryl resin og hærder i et bægerglas, som pr af PMMA fabrikant givne anvisninger.
    2. Læg et snit kortikale knogle prøver i hver mug med overflade til at blive ridset vender nedad. Hæld akryl harpiks mix i disse udarbejdet modellen indehavere. Lad enhederne hærde i en varighed af op til 4-5 h.
  7. Skæres de indlejrede enheder i 5 mm tykke skiver, udsætter overflade til at blive ridset, ved hjælp af den lave hastighed så og montere prøver på metal (aluminium) diske af diameter 34 mm og højde 5 mm ved hjælp af ren klæbemiddel.
  8. Wrap enhederne i en måler, dyppet i Hanks afbalanceret saltvand løsning (HBSS) og opbevares i køleskab ved 4 ° C indtil videre brug15,16.

3. slibning og polering protokoller

Bemærk: En forudsætning for høj-præcisions-testningen på små-længde skalaer er en glat og stabiliseret overfladen af prøver. Tidligere polering protokoller13,17 resultere i en stor ruhed, fører til væsentlige unøjagtigheder i målingen. Udfordringen ligger i at opnå lav gennemsnitlig overfladeruhed, mindre end 100 nm, over et stort område 3 x 8 mm2 overflade.

  1. Grind bovin kortikale knogle prøver ved stuetemperatur med 400 grus og 600 sandkorn siliciumcarbid papirer for 1 min og 5 min, hhv. Vedligeholde grinder-poler på base hastigheder af 100 rpm og 150 rpm, henholdsvis.
  2. Maskine male bovin kortikale knogle prøver ved stuetemperatur på 800 og 1.200 grus papirer for en varighed af 15 min for hvert trin. Vedligeholde grinder-poler på en base hastighed 150 rpm, hoved hastighed 60 rpm, og opererer belastning af 1 lb.
  3. Polske enheder ved hjælp af 3 µm, 1 µm og 0,25 µm diamond suspension løsninger i den samme rækkefølge på en hård, perforeret, ikke-vævede klud til en varighed på 90 min ved stuetemperatur. Vedligehold drift belastningen for hvert trin på 1 lb med base og hoved hastigheder poler på 300 rpm og 60 rpm, henholdsvis.
  4. Polsk prøven af med 0,05 µm alumina suspension løsning på en blød, syntetiske rayon klud for en varighed på 90 min. ved 1 lb med base og hoved hastighed af 100 rpm og 60 rpm, henholdsvis, også ved stuetemperatur.
  5. Placere enhederne i et bægerglas med afioniseret vand og bægerglasset i et ultralydsbad for 2 min i mellem hver på hinanden følgende trin af slibning og polering for at rense rester og undgå krydskontaminering.
  6. Se funktionerne overflade ved hjælp af Optisk mikroskopi og SEM billeddannelse.
    Bemærk: Som vist i figur 1, osteons, Haversian kanaler, cement linjer, interstitiel Regionsudvalget og lakuner blev observeret på kvæg kortikale knogle prøver. Disse Billeddannende metoder afsløre den porøse, heterogene og Anisotropisk karakter af kortikale knogle enheder. Derudover blev avancerede overflade undersøgelse af enhederne udført for at vurdere kvaliteten af den polerede overflade. En repræsentativ poleret overflade er vist i figur 2.

4. mikro Skrab Test

Bemærk: Mikro Skrab test udføres på polerede bovin kortikale knogle prøver ved hjælp af en mikro Skrab tester (figur 3). En diamant Rockwell indenter med en spids radius af 200 µm og spids vinkel på 120° bruges til undersøgelsen. Instrumentet giver mulighed for anvendelse af en lineær progressive belastning op til 30 N. Derudover er apparatet udstyret med high-præcision sensorer til at måle vandrette belastning, indtrængningsdybde og akustisk emissioner på grund af ridser. Instrumentet kan fange panoramaer af scratch riller.

  1. Inden prøvningen af kortikale knogle prøver, kalibrere Rockwell indenter tip ved hjælp af polycarbonat som reference materiale3.
  2. Placer kortikale knogle modellen på scenen og vælge stedet for bunden test ved hjælp af optisk mikroskop oprettet integreret til modulet mikro Skrab tester.
  3. Anvende en lineær progressive belastning med en start belastning på 30 mN og udgangen belastning af 30 N. Belastningsgraden skal indstilles til 60 N/min og det scratch længde 3 mm.
  4. Udføre række bunden test på den korte længderetningen (figur 3b) kvæg kortikale knogle prøver som illustreret i figur 3.
  5. Våd model overfladen med HBSS efter et sæt af hver tre til fire bunden prøver at holde dem hydreret.
  6. Analysere bunden testdata baseret på ikke-lineære fraktur mekanik modellering2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Atomic force mikroskopi blev brugt til at måle ruhed af poleret overflade. Som en tommelfingerregel, modellen kvalificerer sig som et godt poleret, hvis den overfladeruhed er en størrelsesorden mindre end de overflade egenskaber af interesse. I dette tilfælde, den målte overfladeruhed 60 nm over en 40 µm x 40 µm område klart falder ind under dette kriterium.

Figur 4 viser kraft versus penetration dybde grafer af repræsentative bunden prøvninger på korte langsgående bovin kortikale knogle-modellen. Mens den lodrette kraft er den foreskrevne incremental belastning, er den vandrette kraft den målte modstand opleves af sonden. Figur 5 viser de scanning elektronmikroskopi billeder af den brækkede korte langsgående bovin kortikale knogle overflade. Dette billede viser flisning og afskalning af overfladen og forekomst af iboende skærpelse mekanismer såsom micro revner, knæk afbøjning, og knæk bridging. Mikro Skrab testdata er analyseret ved hjælp af MATLAB scripts baseret på ikke-lineære fraktur mekanik modellering2. Forud for forekomst af fraktur-processen, ville der plastik varmeafledning18. Indtrængningsdybde stiger, er fraktur processer aktiveret.

Baseret på mikroskopisk observation, overveje vi en enkelt revne formerings som vist på figur 3b. Vi bygger en ikke-lineær fraktur mekanik model1,2 for at forudsige skalering af ridser styrken. En homogen tværgående isotropic mikrostruktur anses for den kortikale knogle på niveauet væv. Figur 6 viser kraft skalering af brudsejhed af korte langsgående kortikale knogle enheder. Et sejt at skørt overgangen er indført ved at variere indtrængningsdybde. I det sprøde og fraktur-drevet regime, ridser styrken Equation 1 er proportional med mængden Equation 2 , hvor Equation 3 er sonden forme funktion1,2,3,4, 5. Derfor brudsejhed, Equation 4 1,2,3,4,5 konvergerer mod en konstant. Derudover er en Kc -værdi, som svarer til et sprødt fraktur rapporteret om kraft skalering plot for en enkelt test, som vist i figur 6. 102 mikro Skrab tests blev udført på de korte langsgående bovin kortikale knogle prøver som vist i figur 7. Outlier test svarer til de enheder, som blev testet efter en uge med tilberedning og opbevaring i at saltvandsopløsning. Opbevaring af prøven for en meget lang varighed ændres overflade på grund af forhastet dannelse fra at saltvandsopløsning, der fører til forskellige fracture sejhed værdier. Samlede fracture sejhed værdien opnået er 4.05±0.63 MPaEquation 5. Litteratur rapporteret fracture sejhed værdier i intervallet 2,5 til 5.5 MPaEquation 56,8. Disse resultater viser, at fracture sejhed værdier rapporteret fra mikro Skrab testene er i overensstemmelse med litteratur.

Figure 1
Figur 1: en graf, der viser de forskellige hierarkiske niveauer af bone prøver og de eksperimentelle undersøgelser udført på hvert niveau. Den vandrette akse svarer til længde-skala, der spænder fra overordnet til nanoskala og den lodrette akse svarer til tidsskala, hvor eksperimenter svarende til hvert niveau er udført. (Billede kredit: Annette Mendu). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: digitale fotografier af (a) aluminium-diske bruges som en base for prøver og b godt poleret kort langsgående knogle prøvemateriale. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: mikro Skrab test. Digital fotografi af mikro Skrab test på kvæg kortikale knogle modellen (A). En Rockwell sonde har en spids vinkel på 120o sondering kortikale knogle modellen indlejret i polymethylmethacrylat. (B) skematisk af en bunden sonde pløjning knoglemateriale viser fremkomsten af en blandet tilstand af fraktur i korte langsgående prøvemateriale. (Credits: Ange-Therese Akono, Jens Kataruka og Anne Mendu). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: bunden groove. Optisk mikroskopi billede af panorama af scratch groove (A). (B) tilsvarende plot af force versus dybde langs længden af scratch rillen. Vandrette kraft svarer til den resistive friktion kraft opdaget af sensorerne knyttet til mikro Skrab tester fase og den lodrette kraft svarer til den progressive lineære kraft påføres på kortikale knogle-modellen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder. SEM billeder af scratch groove viser mikro mekanismer såsom knæk afbøjning, knæk bridging, fiber bridging og chipping på forskellige forstørrelse niveauer (A) 40 X (B) 10.000 X c 2.400 X (D) 5, 000 X. Fanget ved hjælp af den lave vakuum Scanning elektron mikroskop på Frederick Seitz materiale videnskab laboratorium og Beckman Institute, University of Illinois i Urbana-Champaign. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Scratch kraft og mikro Skrab billede. (A) skalering af ridser styrken langs bunden viser konvergens af brudsejhed. Equation 1 er den vandrette kraft og Equation 3 er funktionen sonde form, der afhænger af geometri og penetration dybden. (B) panoramisk Optisk mikroskopi billede af en mikro Skrab på bovin knogle i den korte langsgående retning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Fracture sejhed. Plot viser fraktur sejhed værdier af de 102 mikro Skrab test udført på korte langsgående bovin kortikale knogle prøver. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Mikro Skrab tests fremkalde en blandet tilstand fraktur3. Desuden, i korte langsgående bovin kortikale knogle prøver, fraktur processer er aktiveret som sonden graver dybere. For en 3 mm lang ridse er prismatisk volumen aftestede omkring 3.600 µm lange, 600 µm bred og 480 µm dybt. Denne store mængde hjalp til at forudsige en homogeniseret svar. En ikke-lineær fraktur mekanik model gjort det muligt at udtrække fraktur modstand baseret på J-integreret beregning1,2,4.

Kvæg kortikale knogle prøver giver et større område for test i forhold til svin modellerne, som blev brugt til den tidligere publikation5. Der er imidlertid en tilsvarende forskel i størrelsen af mikrostrukturen funktioner fra svin til kvæg kortikale knogle prøver. Dette førte til udviklingen af en ny polering protokol til kvæg prøver. Desuden under udviklingen af metoden, blev det observeret, at rede bovin kortikale knogle prøver skal testes inden for en uge efter tilberedning. Dette er for at undgå rest dannelsen på de kvæg prøver på grund af saltopløsning, som kan drastisk påvirke testresultaterne.

Derudover havde forsøg på korte langsgående bovin kortikale knogle prøver kontrolleret miljøforhold og standardiseret modellen forberedelse protokoller. Dette førte til en reduktion i variation af testresultater fra de tidligere rapporterede 23% for korte langsgående svin kortikale knogle prøver5 til 15% for korte langsgående bovin kortikale knogle modellerne i denne undersøgelse. I figur 7, kan afvigende testresultater henføres til forskellige årsager som varigheden af opbevaring i saltvand eller placeringen af bunden selv. Knoglen er heterogene på meso- og mikroskopiske længdeskalaer, forventes dog en vis mængde af variabilitet.

Scanning Elektron Mikroskopi viser forekomsten af fraktur processer under disse bunden test. Stramme mekanismer såsom micro revner på meso skala, knæk afbøjning, og knæk bridging på individuel og fiber bridging på sub micron skalaen blev observeret (Se figur 5). Dette er i overensstemmelse med de toughening mekanismer rapporteret tidligere i litteraturen19. Således afgøre mikro Skrab tests egenskaberne fraktur af kvæg kortikale knogle prøver fra meso skala til mikro skala.

Den metode, som vi foreslår her kræver et lille antal eksemplarer og gør det muligt for afprøvning af prøver på mindre længdeskalaer. For eksempel, er duktilt til sprøde overgangen indført på makroskopisk skala ved at arbejde med individer af forskellig størrelse og samtidig have en konstant skærmformat. Ifølge størrelse effekt fraktur vurdering teknik skal mindst 5 forskellige mellemstore enheder vurdere en fracture sejhed værdi20,21. Således, for at anslå 102 fraktur sejhed værdier, makroskopiske test behov omkring 510 prøver som involverer en masse tid og ressourcer. Således, denne metode foreslår vi anslår brudsejhed hurtigere og er mere økonomisk. Derudover gør forståelse fraktur karakteristika på forskellige hierarkiske niveauer os til at forstå mekanikken i knoglen mere effektivt. Derudover test er effektiv, reproducerbar, og kan nemt udføres under en bred vifte af miljøkontrol. For eksempel, kan test prøver nedsænket i en saltopløsning i en miljømæssig kammer udføres for at simulere i vitro betingelser. Metoden vil derudover også anvendes til at teste knogle brudsejhed i længderetningen tværgående retning at fange anisotropy i knoglen. Vores metode er således en roman betyder for fraktur vurdering af biologisk væv.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af den civile afdeling og Environmental Engineering og College of Engineering på University of Illinois i Urbana-Champaign. Vi anerkender Ravindra Kinra og Kavita Kinra stipendium til støtte for studier af Kavya Mendu. Scanning Elektron Mikroskopi undersøgelsen blev foretaget på anlæg af Frederick Seitz materiale Research Laboratory og Beckman Institute på University of Illinois i Urbana-Champaign.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Akono, A., Reis, P., Ulm, F. Scratching as a fracture process: From butter to steel. Phys Rev Lett. 106, (20), 204302-204304 (2011).
  2. 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).
  3. Akono, A. T., Ulm, F. J. An improved technique for characterizing the fracture toughness via scratch test experiments. Wear. 313, (1-2), (2014).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Melvin, J. W., Evans, F. G. Crack propagation in bone. ASME Biomech Symp. New York. (1973).
  7. Norman, T. L., Vashishth, D., Burr, D. B. Effect of groove on bone fracture toughness. J of Biomech. 25, (12), 1489-1492 (1992).
  8. Behiri, J. C., Bonfield, W. Crack velocity dependence of longitudinal fracture in bone. J of Mat Sc. 15, (7), 1841-1849 (1980).
  9. 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).
  10. Harding, D. S., Oliver, W. C., Pharr, G. M. Cracking during nanoindentation and its use in the measurement of fracture toughness. MRS Proceedings. 356, Cambridge University Press. 663-668 (1994).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Ritchie, R. O. The conflicts between strength and toughness. Nat Mater. 10, (11), 817-822 (2011).
  20. 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).
  21. Bazant, Z. P., Planas, J. Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. 16, CRC press. (1997).
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter