Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Skjørhet vurdering av bovin kortikalt benvev bruker Scratch tester

Published: November 30, 2017 doi: 10.3791/56488
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2
1Department of Civil and Environmental Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign, 2Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Merk: Protokollen beskrevet her, følger retningslinjene som dyr pleie av Illinois institusjonelle dyr omsorg og bruk komiteen.

1. prøven innkjøp

  1. Samle nylig høstet bovin femurs fra en USA Department of Agriculture USDA sertifisert slakteri og transportere dem i plast lufttett poser i en kjøler.
    Merk: For studien utført her, femurs ble Hentet fra dyr som var 24-30 måneder gamle, korn-matet og veie ca 1000 - 1100 pounds.
  2. Fryse femurs på -20 ° C til starten av prøven forberedelse prosedyren. Denne temperaturen holder femurs frisk12,13,14.

2. skjæring, rengjøring og innebygging de

  1. Tine frossen femurs i en container med vann i ca 2 timer ved romtemperatur.
  2. Kuttet flere plater ca 10-15 mm tykk fra regionen midt diaphysis bruke en tabell topp diamant bandet så for å produsere prøver med uniform tverrsnitt av til kortikalt beinvev.
  3. Bruk en disseksjon kit for å fjerne bløtvev eller kjøtt knyttet til til kortikalt beinvev.
  4. Kutt tverrsnitt av femurs fikk i trinn 2.2 benytter en diamant-wafering blad på en lav hastighet så under våte forhold langs den langsgående aksen av bein å få omtrent kubisk inndelingene.
    Merk: Her, bare prøven forberedelse og bunnen tester utført på kort-langsgående prøver diskuteres. Men bortsett fra retningen skjæring er forberedelse prosedyren den samme for orientering på tvers.
  5. Rengjør prøvene løsning tilberedt med 1,5% anionic renere og 5% blekemiddel for en varighet på 20 min i en ultrasonisk renere.
  6. Bygge kortikale bone prøver i akryl harpiks (her polymetylmetakrylat methacrylate (PMMA)) for enkel håndtering og stabilitet.
    1. Å legge ned de, først coat veggene i mold med en utgivelsen agent. Bland deretter akryl harpiks og herder i et beaker, etter instruksjoner gitt av PMMA produsenten.
    2. Plasser en av de kutte kortikalt benvev prøvene i hver mold med overflaten å bli vendt nedover. Hell akryl harpiks blandingen inn i disse forberedt prøven holdere. La de kur for en varighet på opptil 4-5 h.
  7. Skjær de innebygde prøvene i 5 mm tykke plater, utsette overflaten å bli ripete, bruke det lav fart så og montere prøver på metall (aluminium) plater med diameter 34 mm og høyde 5 mm med cyanoakrylatlim.
  8. Pakk de i en målestokk dynket i Hanks balansert saltholdig løsning (HBSS) og kjøle på 4 ° C til videre bruk15,16.

3. sliping og polering protokoller

Merk: En forutsetning til høy presisjon testing på små lengde skalaer er en glatt og flatet overflate av prøver. Tidligere polering protokoller13,17 føre en stor overflateruhet, fører til betydelig unøyaktighet i målingen. Utfordringen ligger i å oppnå lav gjennomsnittlig overflateruhet, mindre enn 100 nm, over et stort område 3 x 8 mm2 overflaten.

  1. Grind bovin kortikale bone prøver ved romtemperatur med 400 grit og 600 grus silisiumkarbid artikler for 1 min og 5 min, henholdsvis. Opprettholde jeksel-poleringsmaskin med base hastigheter på 100 rpm og 150 rpm, henholdsvis.
  2. Maskinen grind bovin kortikale bone prøver ved romtemperatur på 800 og 1200 grus papir for en varighet på 15 min for hvert trinn. Opprettholde jeksel-poleringsmaskin med en base hastighet på 150 rpm, hodet hastighet på 60 rpm og opererer belastningen av 1 lb.
  3. Polsk prøver med 3 µm, 1 µm og 0,25 µm diamant hjulopphengssystemer i samme rekkefølge på en hard, perforert, ikke-vevde klut for en varighet på 90 min hver ved romtemperatur. Opprettholde drift belastningen for hvert trinn på £ 1 med hastigheter base og hodet av poleringsmaskin på 300 rpm og 60 rpm, henholdsvis.
  4. Polsk prøven med 0,05 µm alumina suspensjonen løsning på en myk, syntetiske rayon klut for en varighet på 90 minutter til 1 lb med base og hodet hastighet på 100 rpm og 60 rpm, henholdsvis, også ved romtemperatur.
  5. Innlegge de et beaker med de-ionisert vann og sette begeret i ultralydbad i 2 minutter mellom hvert påfølgende trinn av sliping og polering for å rengjøre rester og unngå kryss-kontaminering.
  6. Vis overflaten funksjonene bruker optisk mikroskopi og SEM bildebehandling.
    Merk: Som vist i figur 1, osteons, Haversian kanaler, sement linjer, interstitiell regioner og hull ble observert på den bovine kortikale benvev prøver. Metodene tenkelig avsløre porøs, heterogene og Anisotrop natur kortikale bone prøver. I tillegg ble avansert overflaten undersøkelse av de utført for å vurdere kvaliteten på polerte overflaten. En representant polert overflate er vist i figur 2.

4. micro Scratch Test

Merk: Micro scratch testene utføres på polert bovin kortikale bone prøver med mikro scratch tester (Figur 3). En diamant Rockwell indenter med en tips radius på 200 µm og apex vinkel på 120° brukes for studier. Den tillater bruk av en lineær progressiv Last opp til 30 N. Videre, apparatet er utstyrt med høy nøyaktighet sensorer å måle den vannrette belastning, gjennomtrenging dyp og akustisk utslipp på grunn av riper. Apparatet kan ta panoramabilder scratch grooves.

  1. Før testing av kortikalt benvev, kalibrere Rockwell indenter spissen med polykarbonat som referanse materiale3.
  2. Plasser kortikalt benvev prøven på scenen, og velg stedet av scratch test med optisk mikroskopet definere integrert i modulen mikro scratch tester.
  3. Bruke en lineær progressiv Last med start Last av 30 mN og slutten belastningen av 30 N. Lasting hastigheten bør være satt til 60 N/min og hvor bunnen 3 mm.
  4. Utføre rekke scratch tester på den korte langsgående (figur 3b) bovin kortikale bone prøver som vist i Figur 3.
  5. Våt inn prøveoverflaten med HBSS etter et sett med hver tre-fire scratch tester å holde seg hydrert.
  6. Analysere scratch test-data basert på ikke-lineære brudd mekanikk modellering2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Atomic force mikroskopi ble brukt til å måle råhet av polert overflaten. Som en tommelfingerregel kvalifiserer prøven som en godt polert hvis overflateruhet er en størrelsesorden mindre enn funksjonene overflaten av interesse. I dette tilfellet, målt overflateruhet 60 nm over en 40 µm x 40 µm området klart faller innenfor dette vilkåret.

Figur 4 viser styrken versus penetrasjon dybde grafer av representant scratch tester utført på kort langsgående bovin kortikalt benvev prøven. Mens vertikale er foreskrevet trinnvis belastningen, er vannrette målt motstanden oppleves av sonden. Figur 5 viser skanning elektronmikroskop bildene i fractured kort langsgående bovin kortikalt benvev overflaten. Dette bildet viser chipping og flassing av overflaten og forekomst av iboende toughening mekanismer som mikro sprekker, sprekk nedbøyning og sprekk broer. Mikro scratch test-data er analysert MATLAB skript basert på ikke-lineære brudd mekanikk modellering2. Før forekomsten av brudd, ville det være plast spre18. Som penetrasjon dybden øker, aktiveres brudd prosesser.

Basert på mikroskopisk observasjon, vurderer vi en enkelt sprekk spre som vist i figur 3b. Vi bygger lineære brudd mekanikk modell1,2 å forutsi skaleringen av scratch kraft. En homogene tverrgående isotropic mikrostruktur regnes for til kortikalt beinvev på vev nivå. Figur 6 viser force skaleringen av Slagseighet av de korte langsgående kortikalt benvev. En ductile å sprøtt overgang er introdusert av varierende gjennomtrenging dyp. I sprø og brudd-drevet regimet, scratch force Equation 1 er proporsjonalt med antallet Equation 2 , der Equation 3 er sonden forme funksjonen1,2,3,4, 5. Derfor Slagseighet, Equation 4 1,2,3,4,5 konvergerer mot en konstant. Videre er en Kc verdi som tilsvarer en sprø brudd rapportert på kraft skalering tomten for en enkelt test som vist i figur 6. 102 mikro scratch testene ble utført på den korte langsgående bovine kortikalt benvev prøver som vist i figur 7. Avvikende tester tilsvarer prøvene testet etter en uke med forberedelse og lagring i saltvann. Lagre prøven for en svært lang varighet endret overflaten på grunn av bunnfall formasjon fra saltvann fører til ulike brudd seighet verdier. Den samlede brudd seighet verdien er 4.05±0.63 MPaEquation 5. Litteraturen rapporterte brudd seighet verdiene i området 2,5 til 5,5 MPAEquation 56,8. Disse resultatene viser at brudd seighet verdiene rapportert fra mikro scratch testene er i samsvar med litteratur.

Figure 1
Figur 1: et diagram som viser de ulike hierarkiske nivåene bone prøver og eksperimentelle undersøkelser utført på hvert nivå. Den vannrette aksen tilsvarer lengden skalaen alt fra macroscale til nanoskala og den loddrette aksen tilsvarer tidsskalaen som eksperimenter tilsvarer hvert nivå er utført. (Bilde kreditt: Kavya Mendu). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: digitale fotografier av (a) aluminium plater brukt som base for prøver og (B) godt polert kort langsgående bein prøven. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Micro scratch test Digital fotografi av mikro scratch testen på storfe kortikalt benvev prøven (A). En Rockwell sonde har en apex vinkel på 120o sondering kortikalt benvev prøven innebygd i polymetylmetakrylat Methacrylate. (B) skjematisk av en ripe sonde pløying bein materialet viser ankomsten av en blandet modus for brudd i en kort langsgående prøven. (Rulletekst: Ange-Therese Akono og Amrita Kataruka Kavya Mendu). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Scratch groove. Optisk mikroskopi bilde av panorama av scratch sporet (A). (B) tilsvarende plott av force kontra dybde langs bunnen sporet. Vannrett force tilsvarer resistiv friksjons styrken oppdaget av sensorer festet til mikro scratch tester scenen og loddrett styrken tilsvarer progressiv lineær kraften til kortikalt benvev prøven. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: skanne bilder med elektronmikroskop (SEM). SEM bilder av scratch groove viser mikro mekanismer som sprekk nedbøyning, sprekk bro, fiber broer og chipping på forskjellige forstørrelse nivåer (A) 40 X (B) 10 000 X (C) 2400 X (D) 5, 000 X. Fanget ved hjelp av lav vakuum Scanning elektron mikroskop Frederick Seitz materiale laboratorium og Beckman Institute, University of Illinois i Urbana-Champaign. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: Scratch kraft og mikro scratch bildet. (A) skalering av scratch kraften langs scratch viser konvergens av Slagseighet. Equation 1 er den vannrette kraften og Equation 3 er sonde figur funksjonen avhenger av dybden geometri og penetrasjon. (B) Panoramisk optisk mikroskopi bilde av en mikro ripe på storfe bein i den korte lengderetningen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: brudd seighet. Plottet viser brudd seighet verdiene av 102 mikro scratch testene utført på kort langsgående bovin kortikale bone prøver. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 beregning1,2,4.

Storfe kortikale bone prøver gir et større område for testing i forhold til den svin prøver som ble brukt for tidligere publikasjon5. Det er imidlertid en tilsvarende forskjell i størrelsen på mikrostruktur funksjoner fra svin for storfe kortikalt benvev prøver. Dette førte til utviklingen av en ny polering protokoll for storfe prøver. Videre under utviklingen av metoden, ble det observert at forberedt bovin kortikale bone prøver skal testes innen en uke etter forberedelse. Dette er å unngå rester formasjon på den bovine prøver på grunn av saltvann, som kan drastisk påvirker testresultatene.

I tillegg hadde testene utført på den korte langsgående bovine kortikalt benvev prøver kontrollert miljøforhold og standardisert prøven forberedelse protokoller. Dette ført til en reduksjon på variasjon av testresultatene fra den tidligere rapportert 23% for kort langsgående svin kortikalt benvev prøver5 til 15% for kort langsgående bovin kortikalt benvev prøver i denne studien. Men i figur 7kan avvikende testresultatene tilskrives forskjellige anledninger like varigheten av lagring i saltholdig vann eller plasseringen av scratch selv. Likevel, gitt at bein er heterogene meso - og mikroskopiske lengde-skalaer, en viss variasjon er ventet.

Skanning elektronmikroskop viser forekomsten av brudd prosesser under testene scratch. Toughening mekanismer som mikro sprekker i meso skala, sprekk nedbøyning, og sprekk bygge bro på Mikroskala og fiber bygge bro på sub-mikron skalaen ble observert (se figur 5). Dette er toughening mekanismer rapportert tidligere i litteratur19. Dermed bestemmer mikro scratch tester egenskapene brudd av bovin kortikalt benvev fra meso skalaen til mikro skala.

Metoden som vi foreslår her krever et lite antall prøver og gjør testing av prøver på mindre lengde skalaer. For eksempel er ductile til sprø overgangen introdusert på makroskopisk skala ved å arbeide med prøver av forskjellige størrelser samtidig ha konstant størrelsesforholdet. Ifølge størrelse effekt brudd vurdering teknikken kreves minst 5 forskjellige størrelse prøver å anslå brudd seighet verdien20,21. Dermed for å anslå 102 brudd verdier seighet, makroskopisk testing trenger rundt 510 prøver som innebærer mye tid og ressurser. Dermed denne metoden foreslår vi anslår Slagseighet raskere og er mer økonomisk. Videre kan forstå brudd egenskapene ved ulike hierarkiske nivå vi forstå mekanikken i bein mer effektivt. I tillegg testing er effektivt, reproduserbare, og kan enkelt utføres under en rekke miljøkontroller. Testing prøver neddykket i en saltvannsoppløsning i en miljømessig kammer kan for eksempel utføres simulere i vitro forhold. I tillegg brukes metoden også for å teste bein Slagseighet i langsgående tverrgående retning å fange anisotropy i bein. Dermed er vår metode en roman betyr for brudd vurdering av biologisk vev.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

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

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).

Tags

Bioteknologi problemet 129 kortikale bein storfe prøver mikro scratch teknikk brudd skalering osteoporose Slagseighet
Skjørhet vurdering av bovin kortikalt benvev bruker Scratch tester
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mendu, K., Kataruka, A., Puthuvelil, … 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