Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Kazıma testi kullanarak sığır kemik kırılganlığını değerlendirilmesi

9.1K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/56488

⸱

30 Kasım 2017

 ,  ,  , 
1Department of Civil and Environmental Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign, 2Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign

Bu makalede

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Not: Burada açıklanan protokol Illinois kurumsal hayvan bakım ve kullanım Komitesi ve hayvan bakımı kuralları izler.

1. numune tedarik

  1. Taze hasat sığır kemiklerine bir mezbaha tarım USDA sertifikalı Amerika Birleşik Devletleri bölümünden toplamak ve onları soğutucuda plastik hava sıkı torbalarda taşıma.
    Not: burada koordinatörlüğünde giden bu çalışma için 24-30 ay yaşlı, taşralı ve ağırlığını yaklaşık 1.000 - 1.100 pound hayvanlardan kemiklerine toplanmıştır.
  2. Uyluk -, 20 ° C numune hazırlama prosedürü başlayana dondur. Bu sıcaklık kemiklerine taze12,13,14tutar.

2. kesme, temizlik ve numuneler katıştırma

  1. Yaklaşık 2 saat oda sıcaklığında su ile bir kap içinde donmuş kemiklerine çözülme.
  2. Numuneler tek tip kesiti kortikal kemik ile üretmek için tablo üst elmas şerit testere kullanarak orta diaphysis bölgesinden çoklu diskler yaklaşık 10-15 mm kalınlığında kesin.
  3. Bir diseksiyon kit herhangi bir yumuşak doku veya kortikal kemiğe bağlı eti kaldırmak için kullanın.
  4. Adım üzerinde düşük hızlı bir elmas wafering bıçak kullanarak 2.2 kemiklerine kesitleri elde kesik ıslak koşullarda kemiğin boyuna ekseni boyunca birden çok kabaca tetrahedron bölüm elde etmek için gördüm.
    Not: Burada, yalnızca numune hazırlama ve çizik kısa – yapılan testler boyuna örnekler ele alınmıştır. Ancak, kesim yönü hariç, hazırlık yordamı enine yönlendirme için aynı kalır.
  5. 20 dk ultrasonik bir süpürge bir süre %1,5 Anyonik temizleyici kullanarak hazırlanan solüsyona ve %5 çamaşır suyu numuneler temiz.
  6. Akrilik Reçine kortikal kemik örnekleri katıştır (burada polimetil metakrilat (PMMA)) işleme ve istikrar için kolaylaştırmak için.
    1. Numuneler katıştırmak için önce bir yayın aracı ile kalıp duvarları kat. Sonra mix Akrilik Reçine ve sertleştirici PMMA üreticisi tarafından verilen talimatlara göre bir ölçek.
    2. Kesme kortikal kemik örneklerin her kalıp kaşıyacak biri yüzeyi ile içine yerleştirin aşağı doğru bakacak. Akrilik Reçine karışımı dökün içine bu numune sahipleri hazır. Numuneler en fazla 4-5 saat süresince tedavi edelim.
  7. 5 mm kalınlığında diskler katıştırılmış örneklerden kesmek, düşük hızlı kullanarak kaşıyacak biri için yüzey açığa gördüm ve numuneler çapının metal (alüminyum) diskler üzerine monte 34 mm ve yükseklik 5 mm siyanoakrilat yapıştırıcı kullanarak.
  8. Hanks dengeli tuzlu çözüm (HBSS içinde) batırılmış bir ölçüm örnekleri şal ve 4 ° C'de daha fazla kullanım15,16kadar buzdolabında bekletin.

3. Bileme ve parlatma iletişim kuralları

Not: önceden küçük uzunluklu ölçeklerde yüksek hassasiyetli test için gerekli bir pürüzsüz ve tesviye örneklerin yüzeydir. Önceki iletişim kuralları parlatma13,17 neden önemli yanlışlık ölçümdeki önde gelen büyük bir yüzey pürüzlülüğü içinde. Düşük ortalama yüzey pürüzlülüğü, 100 ulaşmada sorun yatıyor nm, geniş bir alan 3 x 8 mm2 yüzey üzerinde.

  1. 400 grit ve 600 grit silikon karbid kağıtları 1 dk ve 5 min için sırasıyla kullanarak oda sıcaklığında sığır kemik numuneler bilenmesi. Değirmeni-Perdah 100 rpm ve 150 rpm, temel hızında sırasıyla korumak.
  2. Makine her adımı için 15 dk süresince sığır kemik örnekleri, oda sıcaklığında 800 ile 1,200 grit kağıt üzerinde eziyet. Değirmeni-Perdah 150 devir/dakika, baş hız 60 rpm ve yük 1 lb çalıştırmanın temel hızı korumak.
  3. 3 µm, 1 µm ve 0.25 µm elmas süspansiyon çözümleri sert, delikli, dokuma olmayan kumaş üzerine aynı sırada 90 dk her oda sıcaklığında bir süre kullanarak örnekler Lehçe. Çalışma yük Parlatıcı 300 rpm ve 60 rpm, temel ve baş hızları ile 1 lb her adımda için sırasıyla korumak.
  4. 0,05 µm Alümina süspansiyon çözüm bir yumuşak, sentetik Rayonu kumaş üzerine 100 rpm ve 60 rpm, temel ve baş hızına sahip 90 dk 1 lb az bir süre sırasıyla, aynı zamanda oda sıcaklığında kullanarak numune Lehçe.
  5. De-iyonize su ile bir ölçek örnekleri koymak ve Bileme ve parlatma kalıntı temiz ve Çapraz bulaşma önlemek için 2 dk arasında birbirini izleyen her adım için bir ultrasonik banyo kabı sok.
  6. Optik mikroskobu ve SEM görüntüleri kullanarak yüzey özelliklerine bakın.
    Not: gösterildiği gibi Resim 1, osteonları, Haversian kanalları, çimento hatları, interstisyel bölgeler ve lacunae sığır kemik numuneler üzerinde gözlendi. Bu görüntüleme yöntemleri kortikal kemik örnekleri gözenekli, heterojen ve Anizotropik doğasını ortaya çıkarmak. Ayrıca, Gelişmiş yüzey sınav örneklerin cilalı yüzey kalitesini değerlendirmek için gerçekleştirildi. Temsil edici bir cilalı yüzey Şekil 2' de gösterilmiştir.

4. mikro deri testi

Not: Mikro kazıma testi mikro sıfırdan Sınayıcısı (şekil 3) kullanma parlatılmış sığır kortikal kemik numuneler üzerinde gerçekleştirilir. Bir elmas Rockwell uç 200 µm ve tepe açısı 120 ° uç yarıçaplı çalışma için kullanılır. Araç bir lineer ilerici yükte 30 N. uygulanması sağlar Ayrıca, araç yatay yük, penetrasyon derinliği ve Akustik emisyon tırmalamak nedeniyle oluşturulan ölçmek için yüksek doğruluk sensörleri ile donatılmıştır. Araç sıfırdan yivli panoramalar yakalayabilirsiniz.

  1. Kortikal kemik örnekleri test önce polikarbonat referans malzeme3kullanarak Rockwell uç uç kalibre edin.
  2. Kortikal kemik örneği Sahne Alanı'nda yerleştirin ve deri testi mikro sıfırdan tester modülüne entegre kurmak optik mikroskop kullanarak siteyi seçin.
  3. Bir başlangıç yük 30 mN ve sonunda yükü 30 N. ile doğrusal bir ilerici yük uygulamak Yükleme hızı 60 N/dk ve sıfırdan uzunluğu 3 mm olarak ayarlanması gerekir.
  4. Kazıma testi dizi kısa boyuna (şekil 3büzerinde) yapmak şekil 3' te gösterildiği gibi sığır kemik örnekleri.
  5. HBSS ile numune yüzey onları nemli tutmak için her üç-dört kazıma testi bir dizi sonra ıslak.
  6. Doğrusal olmayan kırılma mekaniği2modelleme bağlı deri testi verilerinizi çözümlemek.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Atomik kuvvet mikroskobu cilalı yüzey pürüzlülüğü ölçmek için kullanıldı. Yüzey pürüzlülüğü bir büyüklük daha ilgi özellik yüzey daha küçük ise kural olarak örnek iyi cilalanmış bir nitelendirir. Bu durumda, ölçülen yüzey pürüzlülüğü 60 nm 40 µm x 40 µm alanı üzerinde açıkça bu ölçütünde düşüyor.

Şekil 4 penetrasyon karşı kuvvet temsilcisi çizik kısa boyuna sığır kortikal kemik numune üzerinde yapıl...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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 hesaplama1,2

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

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.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Masa Üstü Elmas Bant TestereMcMaster Carr, Elmhurst, ILModel  C-40Bıçak hızı 40 mph; Bıçak boyutları: 37 inç çapında, 0,02 inç genişliğinde ve 0,14 inç derinliğinde
Buehler Isomet 5000 Hassas KesiciBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004411278050 rpm artışlarında 200-5000 rpm aralığında bıçak hızı; 8 inç elmas gofret bıçağı
Branson 5800 Ultrasonik Temizleyici(İçinden) Grainger, Peoria, Illinois39J365Bransonic CPXH ultrasonik banyo, 2,5 gal
tank kapasitesine sahiptirBuehler Ecomet 250 Öğütücü - ParlatıcıBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004449725010-500 rpm hız aralığına sahip 8 inç taban plakası
Anton Paar, CSM Instruments Mikro çizik test cihazıAnton Paar İsviçre AG163251Kompakt Platform, Akustik Emisyon Sensörü
JEOL 6060LV genel amaçlı taramalı elektron mikroskobuJEOL USA, Inc., Peabody, MADüşük vakum seviyelerinde görüntüleme sağlayan çevresel taramalı elektron mikroskobu.
Philips XL30 ESEM FEG Cihazın FEI CompanyWet modda çalışması, iletken olmayan numunelerin değiştirilmeden görüntülenmesini sağlar 
NameCompanystrong>Comments
Sarf Malzemeleri
Sığır FemurL & M Mezbahası, Georgetown, ILMısırla beslenen, 24-30 aylık olgun sığır örnekleri.
Alconox Toz Hassas TemizleyiciAlconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 106031104-1Biyobozunur, Kostik Olmayan, Enterferansif Kalıntı Içermeyen
Akrilik Plastik Döküm ElektronMikroskobu Bilimleri24210-02Polimetil Metakrilat
KarbiMet SiC Zımpara Kağıdı 400 kum, 8 inç, PSA destekliBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080400Taşlama - Aşındırıcı Kağıtlar
CarbiMet SiC Zımpara Kağıdı 600 kum, 8 inç, PSA destekliBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080600Taşlama - Zımpara Kağıtları
MicroCut Diskler 800 kum, 8 inç, PSA destekliBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080800Taşlama - Zımpara Kağıtları
MicroCut Diskler 800 kum, 8 inç, PSA destekliBuehler,41 Waukegan Rd, Bluff Gölü, IL 6004416081200Taşlama - Zımpara Kağıtları
Texmet P 8 '' Tekerlek PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044407638Parlatma Bezi
8 '' Microcloth PSABuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044407518Parlatma Bezi
Meta Di Supreme Polikristal Elmas Süspansiyon, 3 & mBuehler, 41 Waukegan Rd, Bluff Gölü, IL 60044406631Parlatma süspansiyonu
Meta Di Supreme Polikristalin Elmas Süspansiyon, 1 & mBuehler, 41 Waukegan Rd, Bluff Gölü, IL 60044406630Parlatma süspansiyonu
Meta Di Supreme Polikristalin Elmas Süspansiyon, 0.25 & mBuehler, 41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044406629Parlatma süspansiyonu
MasterPrep Parlatma Süspansiyonu, 0.05 & mikro; mBuehler, 41 Waukegan Rd, Bluff Gölü, IL 6004440-6377-032Parlatma süspansiyonu
HBSS, kalsiyum, magnezyum, fenol kırmızısı yokThermo Fisher Scientific14025126Tampon Çözeltisi

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Kemik K r k De erlendirmesiizilme TestiK r lma Toklu uMikro izilme TestleriDo rusal Olmayan K r lma Mekani iNumune Haz rlamaKuvvet Derinlik Analiziizilme Olu u Analizi
Kazıma testi kullanarak sığır kemik kırılganlığını değerlendirilmesi
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.