Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Bräcklighet bedömning av nötkreatur kortikala benet med hjälp av Scratch tester

doi: 10.3791/56488 Published: November 30, 2017

Summary

Denna studie utvärderar brottseghet av nötkreatur kortikala benet på sub-meso nivåer med hjälp av mikroskopiska scratch tester. Detta är ett original, mål, rigorösa, och reproducerbar metod föreslås sond brottseghet nedanför makroskopiska skalan. Potentiella tillämpningar studerar förändringar i ben bräcklighet på grund av sjukdomar som osteoporos.

Abstract

Ben är en komplexa hierarkiska material med fem olika nivåer av organisationen. Faktorer som åldrande och sjukdomar som benskörhet öka bräckligheten i ben, vilket gör det fraktur-benägen. På grund av stora socioekonomiska effekterna av benfraktur i vårt samhälle finns det ett behov av nya sätt att bedöma den mekaniska prestandan av varje hierarkisk nivå av ben. Även om styvhet och styrka kan vara sonderade på alla skalor – nano-, mikro-, meso-, och makroskopiska – fraktur bedömning har hittills varit begränsad till makroskopisk testning. Denna begränsning begränsar förståelsen av benfraktur och begränsar omfattningen av laboratorie- och kliniska studier. I denna forskning undersöka vi fraktur motståndet av ben från den mikroskopiska till Mesoskopisk längd skalorna använder micro scratch test kombinerat med olinjär brottmekanik. Tester utförs i kort längsgående orientering på nötkreatur kortikala benet exemplar. En minutiös experimentprotokoll är utvecklat och ett stort antal (102) tester genomförs för att bedöma brottseghet av kortikala benet exemplar medan redovisning av heterogenitet är associerad med ben mikrostruktur.

Introduction

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

I denna studie mäter vi brottseghet av kompakt ben av nöt från tem (osteons) till den hur provtagningsutrustningen skall (lamellär nivå) med hjälp av en ny mikro scratch teknik1,2,3,4, 5. Fraktur processer inklusive spricka initiering och spricka förökning i ben påverkas direkt av längdskalor på grund av de olika strukturella beståndsdelar och organisation på olika nivåer i hierarkin. Därför, att bedöma benfraktur vid mindre längdskalor är viktigt att ger en grundläggande förståelse för ben bräcklighet. Dels, konventionella tester såsom trepunkts böjning, kompakt spänning och fotled tester utförs vanligen på nötkreatur lårben och skenben för fraktur karakterisering på makroskopisk skala6,7, 8. å andra sidan, för att mäta brottseghet i mikroskopisk skala, Vickers indrag fraktur var föreslagna9. Micro indrag utfördes med hjälp av Vicker's indenter för att generera radiella sprickor. Dessutom utfördes metoden Oliver Pharr nanoindentation fraktur seghet med hjälp av en vass kub hörnet indenter10.

I de ovanstående studierna nanoindentation baserat fraktur seghet längder av sprickorna frigjorda mättes av observatören och en semiempiriska modell användes för att beräkna brottseghet. Men dessa metoder är oreproducerbara, subjektiva och resultaten är mycket beroende av observatörens skicklighet på grund av behovet av att mäta spricka längderna med hjälp av optisk mikroskopi eller svepelektronmikroskopi. Dessutom grunden utfördes på nanonivå, men den underliggande matematiska modellen är inte fysik-baserade inte tar hänsyn till minskningen i styrka på grund av sprickor och defekter11. Det finns därför ett gap av kunskap: en metod för fraktur bedömning på mikroskopisk nivå baserat på en fysik-baserade mekanistiska modell. Denna klyfta kunskapens motiverade tillämpningen av micro scratch tester på kompakt ben genom att fokusera först på svin exemplar5. Studien har nu utökats ytterligare för att förstå nötkreatur kortikala benet.

Två olika inriktningar av exemplar är möjliga: längsgående tvärgående och kort längsgående. Längsgående tvärgående motsvarar fraktur egenskaper vinkelrätt mot den längsgående axeln av lårbenet. Medan, kort längsgående motsvarar egenskaperna fraktur längs den längsgående axeln av lårbenet5. I denna studie tillämpar vi scratch test till nötkreatur kortikalt ben att karakterisera bens fraktur motstånd i kort längsgående riktning.

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

Obs: Det protokoll som beskrivs här, följer djurens vård riktlinjer från Illinois Animal institutionsvård och användning kommittén.

1. förlagan upphandling

  1. Samla in nyskördade nötkreatur lårbenet från ett enigt påstår avdelning av jordbruk USDA-certifierade slakteri och transportera dem i plast lufttäta påsar i en kylare.
    Obs: För den studie som genomfördes här, samlades lårbenet från djur som var 24-30 månader gamla, corn-fed och vägde ca 1000 - 1100 pounds.
  2. Frysa lårbenet på 20 ° C fram till början av förfarandet prov förberedelse. Denna temperatur håller lårbenet färska12,13,14.

2. skär, rengöring och inbäddning exemplaren

  1. Tina de frysta lårbenet i en behållare med vatten i cirka 2 timmar i rumstemperatur.
  2. Skär flera skivor ca 10-15 mm tjock från mitten av diaphysis regionen med hjälp av en tabell top diamond bandsåg för att producera exemplar med enhetliga tvärsnittsarea av kortikala benet.
  3. Använda en dissektion kit bort mjukdelar eller köttet som bifogas det kortikala benet.
  4. Klippa tvärsnitt av lårbenet erhölls i steg 2.2 med hjälp av en diamant-wafering blad på en låg hastighet såg under våta förhållanden längs den längsgående axeln av ben att få flera ungefär kubiskt avsnitt.
    Obs: Här, endast prov förberedelse och scratch-tester som utförs på kort – längsgående exemplar diskuteras. Med undantag för riktningen av skärande, förberedelse förfarandet förblir dock densamma för tvärgående orientering.
  5. Ren en lösning beredd med 1,5% anjoniska renare och 5% blekmedel exemplar för en löptid på 20 min i ett ultraljud renare.
  6. Bädda in kortikala benet exemplaren i akrylharts (häri polymetylmetakrylat (PMMA)) för enkel manövrering och stabilitet.
    1. Att bädda in exemplaren, först bestryka väggarna i formen med ett släppmedel. Blanda sedan akryl bas och härdare i en bägare, enligt instruktioner som ges av PMMA tillverkaren.
    2. Placera ett av exemplaren av skurna kortikala benet i varje mögel med ytan att bli kliad nedåt. Häll akrylharts blandningen in i dessa beredd preparathållare. Låt exemplaren bota för en varaktighet på upp till 4-5 h.
  7. Skär de inbäddade exemplaren i 5 mm tjocka skivor, utsätta ytan att bli kliad, använder den låga hastigheten såg och montera exemplaren på metall (aluminium)-skivor av diameter 34 mm och höjd 5 mm med cyanoakrylatlim.
  8. Wrap exemplaren i en mätare indränkt i Hanks balanserad saltlösning lösning (HBSS) och kyla vid 4 ° C tills vidare användning15,16.

3. slipning och polering protokoll

Obs: En förutsättning för hög precision provning på små-längd skalor är en slät och jämn yta av exemplar. Tidigare polering protokoll13,17 resultera i en stor ytjämnhet, vilket leder till betydande felaktigheter i mätningen. Utmaningen ligger i att uppnå låga genomsnittliga ytjämnhet, mindre än 100 nm, över en stor yta 3 x 8 mm2 yta.

  1. Mala nötkreatur kortikala benet exemplaren vid rumstemperatur med 400 grit och 600 grit kiselkarbid papper för 1 min och 5 min, respektive. Upprätthålla den kvarnen-polermaskin med bas hastigheter på 100 rpm och 150 rpm, respektive.
  2. Maskinen mala nötkreatur kortikala benet exemplaren i rumstemperatur på 800 och 1 200 grit papper för en löptid på 15 min för varje steg. Upprätthålla den kvarnen-polermaskin med en bas hastighet av 150 rpm, hastighet av 60 rpm och löpande belastning av 1 lb.
  3. Polska exemplaren med 3 µm, 1 µm och 0,25 µm diamond suspension lösningar i samma ordning på en hård, perforerad, icke-vävt tyg för en period av 90 min i rumstemperatur. Upprätthålla belastningen för varje steg på 1 lb med hastigheterna som bas och huvud av polermaskin på 300 rpm och 60 rpm, respektive.
  4. Polska preparatet med hjälp av 0,05 µm aluminiumoxid fjädring lösning på en mjuk, syntetiska rayon tyg för en period av 90 min på 1 lb med bas och huvudet hastighet av 100 rpm och 60 rpm, respektive, även vid rumstemperatur.
  5. Sätta exemplaren i en bägare med avjoniserat vatten och sätta bägaren i ett ultraljudsbad i 2 min mellan varje rad steg för slipning och polering för att rensa bort sminkrester och undvika korskontaminering.
  6. Visa ytstrukturen med hjälp av optisk mikroskopi och SEM imaging.
    Obs: Som visas i figur 1, osteons, Haversian kanaler, cement linjer, interstitiell regioner och luckor observerades på nötkreatur kortikala benet exemplaren. Dessa avbildningsmetoder avslöja den porösa, heterogena och Anisotrop naturen av kortikala benet exemplar. Dessutom utfördes avancerade surface undersökningen av exemplar för att bedöma kvaliteten på den polerade ytan. En representativ polerad yta visas i figur 2.

4. micro Scratch Test

Obs: Micro scratch tester utförs på polerad nötkreatur kortikala benet exemplaren med en mikro scratch testare (figur 3). En diamant Rockwell indenter med spets radie 200 µm och apex vinkel på 120° används för studien. Instrumentet kan tillämpningen av en linjär progressiv belastning upp till 30 N. Dessutom är instrumentet utrustat med hög noggrannhet sensorer för att mäta horisontell Last, genomträngningsdjupet och akustiska utsläppen scratchning. Instrumentet kan fånga panoramabilder av scratch spår.

  1. Före testning av kortikala benet exemplar, kalibrera Rockwell indenter spets med polykarbonat som referens material3.
  2. Placera det kortikala ben exemplaret på scenen och välj platsen för scratch test med hjälp av det optiska mikroskopet ställa in integrerade till modulen micro scratch testare.
  3. Tillämpa en linjär progressiv belastning med start belastning 30 mN och slutet belastning 30 N. Fisktätheten ska anges till 60 N/min och scratch längden till 3 mm.
  4. Utföra rad scratch tester på den korta längsgående (figur 3b) bovin kortikala benet exemplar som illustreras i figur 3.
  5. Våt preparatytan med HBSS efter en uppsättning av varje tre till fyra scratch tester att hålla dem hydrerad.
  6. Analysera de repa testdata baserat på icke-linjär brottmekanik 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 microscopy användes för att mäta ojämnheter på den polerade ytan. Som en tumregel, preparatet kvalificerar sig som en väl polerad om ytjämnheten är en storleksordning mindre än ytstrukturen sevärdheter. I detta fall, uppmätta ytjämnheten 60 nm över ett 40 µm x 40 µm område tydligt faller inom detta kriterium.

Figur 4 visar kraften kontra penetration djup grafer av representativa scratch-tester som utförs på kort längsgående nötkreatur kortikala benet preparatet. Medan den vertikala kraften är den föreskrivna inkrementell laddning, är horisontalkraften uppmätta motståndet upplevs av sonden. Figur 5 visar scanning electron microscopy bilder fractured kort längsgående nötkreatur kortikala benet yta. Denna bild visar urflisning och fjällning av ytbehandla och förekomsten av inneboende hårdare mekanismer såsom micro sprickbildning, spricka nedböjning och spricka överbrygga. Micro repa testdata analyseras med hjälp av MATLAB skript baserat på icke-linjär brottmekanik modellering2. Innan processen fraktur, skulle det finnas plast skingrande18. Genomträngningsdjupet ökar, aktiveras fraktur processer.

Baserat på mikroskopisk observation, anser vi att en enda spricka förökningsmaterial som visas i figur 3b. Vi bygger en ickelinjär fraktur mekanik modell1,2 för att förutsäga skalningen av scratch kraft. En homogen tvärgående isotropisk mikrostruktur anses för det kortikala benet på nivån vävnad. Figur 6 visar kraft skalningen av brottseghet av kort längsgående kortikala benet exemplar. En formbar-till-spröd övergång introduceras av varierande genomträngningsdjupet. I den sköra och fraktur-drivna regimen, scratch kraft Equation 1 är proportionell mot kvantiteten Equation 2 , där Equation 3 är sonden forma funktion1,2,3,4, 5. Därför, brottseghet, Equation 4 1,2,3,4,5 konvergerar mot en konstant. Dessutom rapporteras ett Kc -värde som motsvarar ett sprödbrott på den kraft som skalning tomt till ett enda test som visas i figur 6. 102 utfördes micro scratch på kort längsgående nötkreatur kortikala benet exemplaren som visas i figur 7. Avvikare tester motsvarar de exemplar som testades efter en vecka av beredning och lagring i saltlösning. Lagra preparatet för en mycket lång varaktighet ändras ytan på grund av fällning bildas från den saltlösning som leder till olika fraktur seghet värden. Det övergripande fraktur seghet värde som erhålls är 4.05±0.63 MPaEquation 5. Litteraturen rapporterade fraktur seghet värden i intervallet 2,5-5,5 MPaEquation 56,8. Dessa resultat visar att de fraktur seghet som rapporteras från micro scratch testerna är enligt litteraturen.

Figure 1
Figur 1: ett diagram som visar de olika hierarkiska nivåerna av ben exemplar och de experimentella undersökningarna utförs på varje nivå. Den horisontella axeln motsvarar längd skalan sträcker sig från macroscale till nanoskala och den vertikala axeln motsvarar tidsskala som de experiment som motsvarar varje nivå utförs. (Bild kredit: Kavya Mendu). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: digitala fotografier av (a) aluminium skivor används som bas för prover och (B) väl polerade kort längsgående ben specimen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Micro scratch test. Digitalt foto av det mikro scratch-testet på nötkreatur kortikala benet preparatet (A). En Rockwell sond med en apex vinkel på 120o sondera kortikala benet preparatet inbäddad i polymetylmetakrylat. (B) Schematisk bild av en scratch sond plöjning det benmaterial visar tillkomsten av ett blandat läge för fraktur i ett kort längsgående exemplar. (Krediter: Ange-Therese Akono, Amrita Kataruka och Kavya Mendu). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Scratch groove. Optisk mikroskopi bild av panorama av scratch räffla (A). (B) motsvarande tomt kraft kontra djup längs längden av scratch spåret. Horisontalkraften motsvarar den resistiva friktion kraft upptäckt av sensorer kopplade till micro scratch testare scenen och den vertikala kraften motsvarar den progressiva linjära kraft som appliceras på kortikala benet preparatet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Scanning electron microscopy (SEM) bilder. SEM-bilder av scratch groove visar micro mekanismer såsom spricka deformationen, spricka överbrygga, fiber överbrygga och urflisning vid olika förstoringsgrader (A) 40 X (B) 10.000 X (C) 2,400 X (D) 5, 000 X. Tagits med lågt vakuum svepelektronmikroskop på Frederick Seitz Material Science Laboratory och Beckman Institute, University of Illinois at Urbana Champaign. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Scratch kraft och micro scratch bild. (A) skalning av scratch kraft längs längden av scratch visar konvergens av brottseghet. Equation 1 är den horisontella kraften och Equation 3 är funktionen sonden form som beror på geometri och penetration djupet. (B) panoramisk optisk mikroskopi bilden av en mikro repa på ben av nöt i kort längsgående riktning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: fraktur seghet. Handlingen visar frakturen seghet värden av 102 micro scratch tester genomförs på kort längsgående nötkreatur kortikala benet exemplaren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

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

Micro scratch tester inducera en blandad fraktur3. Dessutom i kort längsgående nötkreatur kortikala benet exemplar aktiveras fraktur processer när sonden gräver djupare. För en 3-mm lång repa är prismatiska volymen probed cirka 3 600 µm lång, 600 µm breda och 480 µm djupa. Denna stora volym hjälpte att förutsäga en homogeniserad svar. En icke-linjär fraktur mekanik modell aktiverad oss att extrahera fraktur motstånd baserat på J-integrerad beräkning1,2,4.

Bovin kortikala benet exemplar ger ett större område för att testa jämfört med svin exemplaren som användes för tidigare publikation5. Det finns dock en motsvarande skillnad i storleken på mikrostrukturen funktioner från svin för nötkreatur kortikala benet exemplar. Detta ledde till utvecklingen av ett nytt polering protokoll för nötkreatur exemplar. Dessutom observerades det under utvecklingen av metoden, att exemplaren av beredda nötkreatur kortikala benet behöver testas inom en vecka efter beredning. Detta är att undvika att rester bildas på nötkreatur exemplaren på grund av saltlösning, som drastiskt kan påverka testresultaten.

Dessutom hade de tester som utförts på kort längsgående nötkreatur kortikala benet exemplaren kontrollerade miljöförhållanden och standardiserade prov förberedelse protokoll. Detta ledde till en minskning i variabilityen av testresultaten från de tidigare rapporterade 23% för kort längsgående svin kortikala benet exemplar5 till 15% för kort längsgående nötkreatur kortikala benet exemplar i denna studie. Dock i figur 7, kan avvikare testresultat hänföras till olika skäl som lagringstid i salthaltigt vatten eller läge av scratch själv. Ben är heterogena på meso- och mikroskopiska längd-skalor, förväntas dock en viss variation.

Svepelektronmikroskopi visar incidensen av frakturer processer under testerna scratch. Hårdare mekanismer såsom micro sprickbildning i meso-skala, spricka nedböjning och spricka överbrygga på den hur provtagningsutrustningen skall och fiber överbrygga i sub micron skala observerades (se figur 5). Detta är i enlighet med de hårdare mekanismer rapporterade tidigare i litteratur19. Således, micro scratch tester bestämma fraktur egenskaper av nötkreatur kortikala benet exemplar från meso skalan till mikroskala.

Den metod som vi föreslår här kräver ett litet antal prover och möjliggör testning av exemplar på mindre längdskalor. Exempelvis introduceras segjärn till sprött övergången i makroskopisk skala genom att arbeta med exemplar av olika storlekar samtidigt ha en konstant bildförhållande. Enligt den storlek effekt fraktur bedömning tekniken krävs minst 5 olika storlek prover att uppskatta en fraktur seghet värde20,21. Således, för att uppskatta 102 fraktur seghet värden, makroskopiska provning behöver cirka 510 exemplar vilket innebär en hel del tid och resurser. Således, denna metod föreslår vi uppskattar brottseghet snabbare och är mer ekonomiskt. Dessutom förstå fraktur egenskaper på olika hierarkiska nivåer ger oss möjlighet att förstå mekaniken i benet mer effektivt. Dessutom testar är effektiv, reproducerbara, och kan enkelt utföras under ett brett utbud av miljökontroll. Testa prover nedsänkt i en saltlösning i en klimatkammare kan exempelvis utföras för att simulera in vitro- villkor. Dessutom används metoden även för att testa ben brottseghet i längsgående tvärgående riktning att fånga anisotropi i ben. Vår metod är således en roman innebär för fraktur bedömning av biologisk vävnad.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöds av den institutionen för samhälls och miljöteknik och College of Engineering vid University of Illinois at Urbana Champaign. Vi erkänner den Ravindra Kinra och Kavita Kinra stipendium för att stödja graduate studier av Kavya Mendu. Scanning Electron Microscopy undersökning genomfördes på anläggningar av Frederick Seitz Material Research Laboratory och Beckman Institute vid University of Illinois at 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).
Bräcklighet bedömning av nötkreatur kortikala benet med hjälp av Scratch tester
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