Waiting
Login processing...

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

Biology

माउस लम्बर वर्टेब्रा लोडिंग सतह के एम्बेडिंग के साथ Uniaxial संपीड़न परीक्षण

Published: December 1, 2023 doi: 10.3791/65502
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1
1Department of Biology, Colorado State University-Pueblo, 2Hackensack Meridian School of Medicine, 3Department of Engineering, Colorado State University-Pueblo

Summary

इस प्रोटोकॉल में, माउस काठ का कशेरुकाओं के एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण को और अधिक प्राप्य बनाने के लिए दो दृष्टिकोणों का वर्णन किया गया है। सबसे पहले, तीन-बिंदु झुकने वाली मशीन का एक संपीड़न परीक्षण मशीन में रूपांतरण वर्णित है। दूसरा, लोडिंग सतह तैयार करने के लिए एक एम्बेडिंग विधि जो हड्डी सीमेंट का उपयोग करती है, माउस काठ का कशेरुक के लिए अनुकूलित है।

Abstract

जागरूकता बढ़ रही है कि कॉर्टिकल और रद्द हड्डी दवा उपचार, हार्मोन थेरेपी और उम्र से संबंधित हड्डी के नुकसान के लिए अन्य उपचारों को विनियमित करने और प्रतिक्रिया देने में भिन्न होती है। तीन-बिंदु झुकना एक सामान्य विधि है जिसका उपयोग लंबी हड्डियों के मध्य-डायफिसिस क्षेत्र पर उपचार के प्रभाव का आकलन करने के लिए किया जाता है, जो कॉर्टिकल हड्डी में समृद्ध है। माउस कशेरुकाओं का एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण, हालांकि रद्द हड्डी में समृद्ध हड्डियों का आकलन करने में सक्षम है, तकनीकी चुनौतियों के कारण आमतौर पर कम प्रदर्शन किया जाता है। यहां तक कि कम सामान्यतः प्रदर्शन तीन-बिंदु झुकने और संपीड़न परीक्षण की जोड़ी है ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि एक उपचार एक लंबी हड्डी के मध्य-डायफिसिस क्षेत्र और एक कशेरुक सेंट्रम को समान या अलग तरीके से कैसे प्रभावित कर सकता है। यहां, हम माउस काठ का कशेरुकाओं के संपीड़न परीक्षण को तीन-बिंदु झुकने के साथ समानांतर में प्रदर्शन करने के लिए एक कम चुनौतीपूर्ण विधि बनाने के लिए दो प्रक्रियाओं का वर्णन करते हैं: पहला, तीन-बिंदु झुकने वाली मशीन को संपीड़न परीक्षण मशीन में बदलने की प्रक्रिया, और दूसरा, माउस काठ का कशेरुका लोडिंग सतह तैयार करने के लिए एक एम्बेडिंग विधि।

Introduction

इन परिवर्तनों से जुड़े हड्डी के फ्रैक्चर के बढ़ते जोखिम के कारण उम्र से संबंधित हड्डी परिवर्तन व्यापक रूप से समस्याग्रस्त के रूप में पहचाने जाते हैं। मनुष्यों में अस्थि भंग पुराने दर्द, कम गतिशीलता, दीर्घकालिक विकलांगता, मृत्यु का एक बढ़ा जोखिम, और आर्थिक बोझ1. उम्र से संबंधित हड्डी परिवर्तन के लक्षणों को संबोधित करने के लिए जांच की गई सामान्य उपचारों में आहार की खुराक, हार्मोन उपचार और दवाएं 2,3,4,5,6,7,8,9 शामिल हैं। मानव विषयों के लिए इस तरह के उपचार की प्रारंभिक जांच आमतौर पर छोटे पशु मॉडल (जैसे, प्रयोगशाला चूहों और चूहों) का उपयोग कर किया जाता है, जिसमें मानव कंकाल10 में पाए जाने वाले दो प्रमुख प्रकार की हड्डियां होती हैं। परिशिष्ट लंबी हड्डियां, जैसे ह्यूमरस, फीमर और टिबिया, कॉर्टिकल (यानी, कॉम्पैक्ट) हड्डी में समृद्ध होती हैं, जबकि कशेरुक रद्द हड्डी (यानी, बुनी, स्पंजी, या ट्रैब्युलर हड्डी) 4 में समृद्ध होती हैं। इस बात का ज्ञान बढ़ रहा है कि हड्डी विनियमन और सिग्नलिंग मार्गों के तंत्र कॉर्टिकल हड्डी (जैसे, लंबी हड्डी मध्य-डायफिसिस) और रद्द हड्डी (जैसे, कशेरुक सेंट्रम)2के बीच भिन्न होते हैं। इस वजह से, उपचारों में अंतर प्रभाव हो सकते हैं जो एक ही हड्डी 2,3,4 के भीतर हड्डी-विशिष्ट या यहां तक कि साइट-विशिष्ट हैं।

किसी वस्तु (जैसे, हड्डी) पर बल लगाने से वस्तु की सीमा की स्थिति के आधार पर वस्तु त्वरण, विरूपण या दोनों से गुजरना पड़ता है। जब हड्डी विवश होती है, तो समान परिमाण का एक विपरीत बल हड्डी के त्वरण का प्रतिरोध करता है, और विरूपण होता है। जैसा कि हड्डी विरूपण को बनाए रखती है, तनाव नामक आंतरिक प्रतिरोध उत्पन्न होता है, जिनमें से दो मूल प्रकार हैं: सामान्य बल, तनाव या संपीड़न के रूप में, और कतरनी बल10। अक्सर, बुनियादी प्रकार के तनाव का एक संयोजन उत्पन्न होता है, जो लागू बल प्रणाली10 पर निर्भर करता है। किसी सामग्री की ताकत बिना असफल हुए तनाव का सामना करने की क्षमता है। जैसे-जैसे किसी सामग्री पर अधिकाधिक बड़े बल लागू होते जाते हैं, यह अंततः स्थायी विरूपण से गुजरता है, जिस बिंदु पर कहा जाता है कि यह एक लोचदार अवस्था से परिवर्तित हो गया है (यानी, यदि बल हटा दिया जाता है तो वह अपने मूल आकार में वापस आ जाएगा) एक प्लास्टिक अवस्था में (यानी, बल हटा दिए जाने पर अपने मूल आकार में वापस नहीं आएगा)11. जिस बिंदु पर लोचदार अवस्था से प्लास्टिक अवस्था में संक्रमण होता है, उसे उपज बिंदु कहा जाता है। चूंकि उपज बिंदु से परे सामग्री पर भी बड़ी ताकतें लागू होती हैं, यह कुल फ्रैक्चर होने तक माइक्रोफ्रैक्चर (यानी, क्षति) को तेजी से बनाए रखता है; इस बिंदु पर, सामग्रीको 11,12 विफल होने के लिए कहा जाता है। एक हड्डी का फ्रैक्चर एक संरचनात्मक स्तर और एक ऊतक स्तर10 दोनों पर विफलता का प्रतिनिधित्व करता है। एक उदाहरण के रूप में, एक कशेरुक हड्डी का टूटना होता है क्योंकि न केवल संरचनात्मक स्तर पर कई ट्रेबेकुले विफल होते हैं, बल्कि ऊतक स्तर पर एक व्यक्तिगत ट्रेबेकुला में कोलेजन और हाइड्रॉक्सीपाटाइट क्रिस्टल जैसे बाह्य मैट्रिक्स तत्वों की विफलता भी होती है।

किसी सामग्री की विफलता की ओर ले जाने वाली यांत्रिक घटनाओं को विभिन्न परीक्षण विधियों का उपयोग करके मापा जा सकता है। परिशिष्ट कंकाल से लंबी हड्डियों के यांत्रिक गुणों के परीक्षण के लिए तीन-बिंदु झुकना एक सामान्य तरीका है। यह विधि सरल और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य है, जिससे यह कई शोधकर्ताओं के लिए बायोमेकेनिकल परीक्षण का पसंदीदा तरीकाहै। दो निचले समर्थन बीम पर आराम करने वाली लंबी हड्डी के मध्य-डायफिसिस पर एक क्रॉसहेड बीम को कम करके, यह विधि विशेष रूप से मध्य-डायफिसिस क्षेत्र के यांत्रिक गुणों का परीक्षण करती है, जो घनी संगठित कॉर्टिकल हड्डी है। लोड-विस्थापन घटता से, लोच पर तन्यता बल प्रभाव, क्रूरता, विफलता के लिए बल, और अन्य गुणों के बीच हड्डी सामग्री के लोचदार से प्लास्टिक व्यवहार में संक्रमण निर्धारित किया जा सकता है।

दूसरे प्रकार की हड्डी में, जिसे ट्रैबकुलर, स्पंजी, बुना हुआ या रद्द हड्डी कहा जाता है, हड्डी के तत्वों को छड़ और बीम की एक सरणी में बनाया जाता है जिसे ट्रैबेकुले कहा जाता है, जो "स्पंजी" उपस्थिति देता है। मुख्य कशेरुक निकायों (यानी, सेंट्रा) रद्द हड्डी में समृद्ध हैं और अक्सर मनुष्यों में उम्र से संबंधित संपीड़न हड्डी फ्रैक्चर की साइटें हैं14. काठ का (यानी, पीठ के निचले हिस्से) कशेरुक सबसे बड़े कशेरुक हैं, शरीर के वजन के सबसे भालू, और कशेरुक फ्रैक्चर15,16 के लिए सबसे आम साइट हैं. कशेरुक निकायों के यांत्रिक गुणों को सीधे एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण विधियों का उपयोग करके मूल्यांकन किया जा सकता है क्योंकि अक्षीय संपीड़न विवो17 में कशेरुक स्तंभों पर लगाया गया सामान्य बल भार है। विवो में कशेरुक निकायों का संपीड़न मांसपेशियों और लिगामेंट संकुचन, गुरुत्वाकर्षण बल और जमीन प्रतिक्रिया बलों18 के परिणामस्वरूप होता है।

छोटे जानवरों के कशेरुका के पूर्व विवो संपीड़न परीक्षण उनके छोटे आकार, अनियमित आकार और नाजुकता के कारण मुश्किल हो सकता है। कशेरुक निकायों के आकार हल्के उदर झुकाव और मामूली कपाल17 concavity के साथ एक समांतर चतुर्भुज के रूप में अनुमान लगाया जा सकता है. यह आकार यूनिक्सियल संपीड़न परीक्षण पूर्व विवो को प्राप्त करने के लिए चुनौतियां प्रस्तुत करता है क्योंकि, लोडिंग सतह के लिए पर्याप्त तैयारी के बिना, संपीड़ित बलों को लोडिंग सतह के केवल हिस्से पर लागू किया जाएगा, जिसके परिणामस्वरूप "स्थानीय संपर्क"17,19होगा। यह असंगत परिणाम और समय से पहले विफलता19 पैदा कर सकता है. विवो में ऐसा नहीं है क्योंकि लोडिंग सतह कशेरुक जोड़ों पर इंटरवर्टेब्रल डिस्क से घिरी होती है, जो लोड को पूरे कपाल अंत प्लेट में वितरित करने की अनुमति देती है। इंटरवर्टेब्रल डिस्क-कपाल अंत प्लेट कॉम्प्लेक्स कशेरुक शरीर में बल के आवेदन और कशेरुक शरीर14,20 को फ्रैक्चर के बायोमैकेनिक्स में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। जबकि संपीड़न परीक्षण जीव विज्ञान के क्षेत्र के लिए नया नहीं है, हड्डियों के यांत्रिक परीक्षण के वर्तमान तरीकों में सीमाएं हैं। इन सीमाओं भविष्यवक्ता मॉडल और हड्डी यांत्रिकी, अद्वितीय ज्यामितीय स्थानिक वास्तुकला, और यहां तक कि निहित नमूना आधारित जैविक विविधताओं21 के लिए सिमुलेशन की कमी शामिल हैं. इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि क्षेत्र को विधियों के बीच मानकीकरण की कमी और साहित्य22 में रिपोर्ट किए गए तरीकों की समग्र कमी से चुनौती दी जाती है।

एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण प्राप्त करने के लिए कृंतक काठ का कशेरुक की तैयारी के लिए साहित्य में दो तरीकों की सूचना दी गई है: काटने की विधि और एम्बेडिंग विधि 17,19,23,24,25,26। काटने की विधि के लिए आवश्यक है कि कशेरुक प्रक्रियाएं, कपाल अंत प्लेट, और दुम अंत प्लेट कशेरुक शरीर से काटी जाती हैं। Pendleton et al.19 ने पहले माउस काठ का कशेरुकाओं पर इस पद्धति के उपयोग के लिए एक विस्तृत विधि की सूचना दी है। यह विधि नमूने को किसी भी नुकसान से बचने के दौरान दुम और कपाल अंत प्लेटों दोनों पर पूरी तरह से समानांतर कटौती प्राप्त करने की चुनौतियों को प्रस्तुत करती है। इसकी सीमा भी है कि कपाल अंत प्लेट हटा दी जाती है। कपाल अंत प्लेट cortical हड्डी के एक घने खोल होते हैं और विवो में intervertebral डिस्क से भार वितरित करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है और विवो फ्रैक्चर 17,20,27 में के लिए हड्डी की विफलता में शामिल है. इसके विपरीत, एम्बेडिंग विधि में कशेरुक शरीर की कपाल अंत प्लेट को बरकरार रखते हुए कशेरुक प्रक्रियाओं को हटाना शामिल है। लोडिंग सतह को तब कशेरुक शरीर के कपाल अंत पर हड्डी सीमेंट की एक छोटी मात्रा रखकर लगभग क्षैतिज बनाया जाता है। इस विधि का लाभ यह है कि यह काटने की विधि से जुड़ी तकनीकी चुनौतियों पर काबू पाता है और कपाल अंत प्लेट के संरक्षण के कारण विवो में लोड एप्लिकेशन और हड्डी की विफलता के तंत्र की बेहतर नकल कर सकता है। इस दृष्टिकोण को पहले चूहे की हड्डियों पर एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण से जुड़े अध्ययनों में प्रलेखित किया गया है। हालांकि, जहां तक हम जानते हैं, यह पहले छोटे माउस काठ कशेरुक17,25,26 के संदर्भ में प्रलेखित नहीं किया गया है. प्रश्न में विधि पहले चचरा एट अल.25 द्वारा विस्तृत की गई थी और मूल रूप से दो प्लेटों के बीच में आयोजित एक हड्डी के नमूने का उपयोग किया गया था, प्रत्येक में एक बेलनाकार गुहा था, जिसे तब पॉलीमेथाइलमेथैक्रिलेट (पीएमएमए) से भरा गया था। एक ही शोध समूह बाद में विधि जहां एक छोर धीरे रेत (दुम) है, और दूसरे छोर हड्डी सीमेंट जोड़ा (कपाल)26 का एक छोटा सा स्थान है में सुधार किया. यह विधि पिछली विधि पर एक सुधार है क्योंकि यह प्लैटेंस के बीच सामग्री को कम करती है और इस लेख का फोकस है। एकअक्षीय कशेरुक संपीड़न परीक्षण से जुड़ी चुनौतियों के बावजूद, यह एक ऐसी विधि है जो हड्डी पर प्रस्तावित चिकित्सा के प्रभावों के बारे में बहुमूल्य जानकारी प्रदान कर सकती है, खासकर जब तीन-बिंदु झुकने के साथ जोड़ा जाता है।

यहां, एक ही मशीन का उपयोग करके लंबी हड्डियों और कशेरुक निकायों दोनों के आसान परीक्षण की अनुमति देने के लिए एक परिवर्तनीय तीन-बिंदु झुकने/संपीड़न परीक्षण मशीन का उपयोग प्रस्तुत किया गया है। इसके अलावा, माउस काठ का कशेरुक के एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण को प्राप्त करने के लिए एक एम्बेडिंग विधि का उपयोग प्रस्तुत किया गया है। वर्तमान अध्ययन एक बड़े अध्ययन के हिस्से के रूप में किया गया था जिसका उद्देश्य युवा, बढ़ती महिला C57BL/6 चूहों 5,6 में कंकाल की हड्डी के गुणों पर आहार भांग पूरकता के प्रभावों की जांच करना था। तीन-बिंदु झुकने परीक्षक मूल रूप से कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी-प्यूब्लो में इंजीनियरिंग विभाग में संकाय और छात्रों द्वारा बनाया गया था और हमारे शोध समूह द्वारा लंबी हड्डियों [चूहा फीमर और टिबिया7 और माउस ह्यूमरस, फीमर, और टिबिया 5,6,8,9 पर तीन-बिंदु झुकने वाले परीक्षणों में उपयोग किया जाता था]. हालांकि, माउस कशेरुक शरीर संपीड़न परीक्षण में उपयोग के लिए इसके संशोधन और अनुप्रयोग का पता नहीं लगाया गया था। तीन-बिंदु झुकने वाली मशीन का डिजाइन और निर्माणपहले 7 वर्णित किया गया है। यह रिपोर्ट संपीड़न परीक्षण के लिए मशीन को संशोधित करने और सिस्टम विस्थापन के लिए सही करने के लिए उपयोग की जाने वाली विधियों पर ध्यान केंद्रित करेगी। दूसरे, माउस कशेरुक शरीर लोडिंग सतह की तैयारी के लिए एम्बेडिंग विधि का वर्णन किया गया है, साथ ही एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण और लोड-विस्थापन डेटा के विश्लेषण के तरीकों के साथ।

Protocol

सभी प्रयोगों और प्रोटोकॉल स्वास्थ्य के राष्ट्रीय संस्थानों से प्रयोगशाला जानवरों की देखभाल और उपयोग के लिए गाइड के अनुपालन में आयोजित किए गए थे और कोलोराडो राज्य विश्वविद्यालय-Pueblo संस्थागत पशु की देखभाल और उपयोग समिति (प्रोटोकॉल संख्या: 000-000A-021) से अनुमोदन प्राप्त किया. पशु देखभाल के लिए विस्तृत प्रक्रियाओं पहले 5,6 वर्णित किया गया है. चूहों को युवा, बढ़ती महिला C57BL/6 चूहों पर भांग-पूरक आहार के प्रभावों की जांच करने के उद्देश्य से एक व्यापक अध्ययन के हिस्से के रूप में तीन सप्ताह की आयु में प्राप्त किया गया था (सामग्री की तालिकादेखें)। 5 से 29 सप्ताह की आयु तक, चूहों को तीन आहारों में से एक पर उठाया गया था: नियंत्रण (0% भांग), 50 ग्राम/किग्रा (5%) भांग, या 150 ग्राम/किग्रा (15%) भांग, प्रति समूह आठ चूहों के साथ 5,6। अध्ययन के दौरान, चूहों को अपने संबंधित आहार और पानी के लिए एड लिबिटम पहुंच थी, पॉली कार्बोनेट पिंजरों में जोड़ी रखी गई थी, और 12 घंटे की रोशनी पर बनाए रखा गया था: 12 घंटे अंधेरे चक्र (06:00 से 18:00 बजे तक रोशनी के साथ)। चूहों के वजन और स्वास्थ्य का साप्ताहिक मूल्यांकन किया गया था, और सभी चूहों ने किसी भी प्रतिकूल स्वास्थ्य स्थितियों को विकसित किए बिना सफलतापूर्वक अध्ययन पूरा किया। उम्र के उनतीस सप्ताह में, चूहों गहराई isoflurane गैस का उपयोग संवेदनाहारी और गर्भाशय ग्रीवा अव्यवस्था 5,6 के माध्यम से euthanized थे. उरोस्थि से पूंछ तक उदर सतह पर एक मिडलाइन चीरा बनाया गया था, और शवों से सभी इंट्राथोरेसिक, पेरिटोनियल और रेट्रोपरिटोनियल अंगों को हटा दिया गया था। निकाले गए शवों को कशेरुका परीक्षण के लिए हड्डी विच्छेदन के समय तक -70 डिग्री सेल्सियस पर 0.9% सोडियम क्लोराइड समाधान में संरक्षित किया गया था, जो लगभग एक साल बाद हुआ था।

1. एक संपीड़न परीक्षण मशीन के लिए एक तीन-बिंदु झुकने मशीन का रूपांतरण

  1. तीन-बिंदु झुकने वाली मशीन7 ( सामग्री की तालिकादेखें) (चित्र 1ए, बी) पर लोड सेंसर से जुड़े क्रॉसहेड बीम को हटा दें।
  2. लोड सेंसर पर एक स्व-संरेखित शीर्ष प्लैटन पेंच करें ( सामग्री की तालिकादेखें) क्रॉसहेड बीम (चित्रा 1 सी) के समान थ्रेडिंग के साथ।
  3. निचले समर्थन में से प्रत्येक में दो क्षैतिज छेद ड्रिल करें, जहां नीचे का प्लैटन बाद में संलग्न किया जाएगा (चित्र 1D)।
  4. निचले समर्थन(चित्रा 1ई)में ड्रिल किए गए छेद के साथ संरेखित करने के लिए स्टेनलेस स्टील के नीचे प्लैटन के दो किनारों में धागे टैप करें।
  5. थ्रेडेड हेक्स स्क्रू का उपयोग करके नीचे के प्लैटन को दो निचले समर्थनों पर सुरक्षित करें और सुरक्षित होने तक कस लें (चित्र 1F)।
    नोट: हेक्स स्क्रू में ऐसे धागे होने चाहिए जो निचले समर्थन और ऊपर/नीचे के प्लेटन पर टैप किए गए छेद से मेल खाते हों। एक स्व-संरेखित शीर्ष प्लैटन का उपयोग शीर्ष प्लैटन और लोडिंग सतह के बीच एक समान संपर्क प्राप्त करने में मदद कर सकता है, लेकिन यह कशेरुक निकायों के कपाल अंत की संक्षिप्तता को देखते हुए पर्याप्त नहीं है। लोडिंग सतह तैयारी विधि का उपयोग करके आगे की तैयारी की आवश्यकता है। छोटे जानवरों की हड्डियों के लिए एक संपीड़न परीक्षण मशीन का निर्माण करते समय, जो कई औद्योगिक/इंजीनियरिंग सामग्रियों की तुलना में छोटे और कमजोर होते हैं, लोड सेंसर की भार क्षमता और लोड फ्रेम के आकार पर विचार करना आवश्यक है। इसके अतिरिक्त, सटीक परिणाम और सुचारू संचालन सुनिश्चित करने के लिए मशीनों को नियमित रूप से साफ और चिकनाई दी जानी चाहिए।

2. संपीड़न परीक्षण मशीन के विस्थापन के लिए सुधार

  1. शीर्ष प्लैटन और बॉटम प्लैटन के बीच कोई परीक्षण सामग्री नहीं होने के कारण, नीचे के प्लैटन पर शीर्ष प्लैटन को तब तक कम करें जब तक कि हल्का संपर्क न हो जाए (~ 0.3-0.5 एन प्रीलोड बल)।
  2. संपीड़न परीक्षण शुरू करने के लिए मशीन को निरंतर कम गति (~ 1 मिमी/मिनट) पर चालू करें। यांत्रिक परीक्षण के डेटा संग्रह के लिए डिजिटल डेटा संग्रह सॉफ्टवेयर ( सामग्री की तालिकादेखें) का उपयोग करके लोड (एन) और विस्थापन (मिमी) माप एकत्र करें।
    नोट: चूंकि कोई सामग्री ऊपर और नीचे प्लैटन के बीच नहीं है, इसलिए देखा गया सभी विस्थापन अकेले मशीन (Δxमशीन) (फ्रेम, लोड सेल, प्लैटेंस, कपलिंग, आदि) के विस्थापन के कारण होगा।
  3. एक स्थिर (यानी, मोनोटोनिक) गति से नीचे प्लैटन पर शीर्ष प्लैटन को कम करना जारी रखें जब तक कि सभी हड्डी के नमूनों से प्राप्त होने वाले बलों से अधिक बल नहीं पहुंच जाते।
  4. तीन बार की कुल के लिए 2.1 करने के लिए 2.3 कदम दोहराएँ.
  5. सिस्टम विस्थापन (Δxमशीन, मिमी) बनाम के लिए डेटा प्लॉट करें। लागू भार (बल, एन)।
  6. डेटा (चित्रा 2 ए-डी) के लिए सबसे अच्छा फिट की एक प्रतिगमन लाइन फिट.
  7. एक हड्डी संपीड़न परीक्षण से डेटा के साथ एक स्प्रेडशीट में, प्रतिगमन विश्लेषण द्वारा प्रदान किए गए समीकरण का उपयोग मशीन विस्थापन (Δxमशीन) की मात्रा निर्धारित करने के लिए रिकॉर्ड किए गए विस्थापन (Δxकुल दर्ज) एक माउस काठ कशेरुका संपीड़न परीक्षण के डेटा बिंदु के लिए प्रभावित करने के लिए.
    नोट: उदाहरण के लिए, एक डेटा बिंदु पर विचार करें जहां 18 एन बल लागू किया जाता है, और 2.730 मिमी विस्थापन दर्ज किया गया है (Δxकुल दर्ज किया गया)। उदाहरण के अनुसार तीसरे क्रम बहुपद प्रतिगमन समीकरण (चित्रा 2 डी) [Δxमशीन = (4 × 10-7 एक्स एप्लाइड लोड3) - (8 × 10-5 एक्स एप्लाइड लोड2) + (0.0044 एक्स एप्लाइड लोड)], दर्ज विस्थापन का 0.056 मिमी मशीन विस्थापन (Δxमशीन) के कारण है।
    Δxकुल रिकॉर्ड = Δxमशीन + Δxनमूना
  8. डेटा बिंदु के लिए रिकॉर्ड किए गए विस्थापन को ठीक करें।
    नोट: उदाहरण के लिए, ऊपर दिए गए उदाहरण पर विचार करें। यदि 2.730 mm विस्थापन दर्ज किया जाता है (Δxकुल दर्ज) और मशीन विस्थापन (Δxमशीन) कुल का 0.056 mm है, तो ब्याज के नमूने (यानी, हड्डी) का विस्थापन (Δxनमूना) 2.664 mm है। इस प्रकार, 2.664 मिमी वास्तविक विस्थापन है जो कशेरुका (Δxनमूना) से गुजरा है और लोड-विस्थापन वक्र विश्लेषण के लिए उपयोग किया जाने वाला मूल्य है।
    Δxनमूना = Δxकुल दर्ज - Δxमशीन
  9. हर एक नमूना (हड्डी) के लिए एकत्र किए गए प्रत्येक डेटा बिंदु के लिए चरण 2.7-2.8 दोहराएं।
    नोट: यह कदम महत्वपूर्ण है क्योंकि संपीड़न परीक्षण के दौरान, मनाया गया विस्थापन न केवल नमूने के विस्थापन के कारण होता है, बल्कि इसके बजाय, मनाया गया विस्थापन मशीन विस्थापन (Δxमशीन) (जैसे, फ्रेम का संपीड़न / विस्थापन, लोड सेल, प्लैटेंस, कपलिंग, आदि) और नमूना (Δxनमूना) का एक संयोजन है). इस प्रकार, उन नमूनों के लिए जो अपेक्षाकृत कम मात्रा में विस्थापन से गुजरते हैं, जैसे कि एक छोटे जानवर (जैसे, माउस), सिस्टम विस्थापन (Δxमशीन) बड़ी त्रुटियों का कारण बन सकता है। सिस्टम विस्थापन के लिए सही करने के लिए यहां वर्णित प्रक्रियाओं को पहले कालिडिंडी और अबुसाफीह28 द्वारा रिपोर्ट किया गया था, जो यहां वर्णित एक के अलावा दो अन्य तरीकों का भी विस्तार करते हैं। कुछ शोधकर्ताओं को सिस्टम विस्थापन17 का निर्धारण करने के लिए एक से अधिक विधि का उपयोग करने के लिए नोट किया गया है. प्रत्येक मशीन अद्वितीय पैटर्न और सिस्टम विस्थापन की डिग्री प्रदर्शित कर सकती है जब उस पर भार लागू किया जाता है। इस कारण से, सिस्टम विस्थापन सुधार कारक प्रत्येक मशीन के लिए निर्धारित किया जाना चाहिए और किसी भी दो मशीनों के बीच समान नहीं होगा। एक कशेरुक हड्डी के संपीड़न परीक्षण के विपरीत, सिस्टम विस्थापन के लिए मापने पर एक बड़ी बल कमी नहीं देखी जाएगी क्योंकि कोई भी सामग्री ऊपर और नीचे प्लैटन के बीच नहीं है।

3. माउस शव से 5 वें काठ का कशेरुका (L5) का विच्छेदन

  1. कमरे के तापमान पर जमे हुए माउस शव पिघलना, नियमित रूप से 0.9% NaCl के एक आइसोटोनिक समाधान लागू करके नरम ऊतकों और हड्डियों हाइड्रेटेड रखने के लिए ख्याल रखना.
  2. पूंछ के आधार के पास पृष्ठीय midline पर त्वचा में एक छोटा (<0.5 सेमी) चीरा बनाओ, तो प्रत्येक hindlimb भर में कटौती का विस्तार और धीरे जानवर के सिर के लिए पूंछ के आधार से pelt को हटाने के लिए खींचें.
  3. पेट की दीवार की मांसलता को तब तक काटें जब तक कि कशेरुक स्तंभ आसानी से दिखाई न दे।
  4. एक विदारक खुर्दबीन के तहत, दो sacroiliac जोड़ों और त्रिकास्थि के कपाल अंत कल्पना.
  5. एक रेजर ब्लेड या स्केलपेल का उपयोग करके, त्रिकास्थि के कपाल अंत से अंतिम काठ कशेरुका (L6) को अलग करने के लिए एक अच्छा कट बनाएं।
  6. फिर से, इंटरवर्टेब्रल स्पेस के बीच काटने, कशेरुक स्तंभ से एल 6 और एल 5 को हटा दें, विश्लेषण के लिए एल 5 को अलग करना(चित्रा 3)।
  7. एक विदारक खुर्दबीन के तहत कशेरुका निरीक्षण और हड्डी से सभी नरम ऊतकों को हटा दें, intervertebral डिस्क सहित, ज्यादातर धुंध पैड का उपयोग कर और धीरे जहां आवश्यक संदंश के साथ.
    नोट: वर्तमान अध्ययन में, L5 ब्याज की कशेरुका के रूप में चुना गया था, लेकिन अन्य काठ का कशेरुक संपीड़न परीक्षण के लिए चुना जा सकता है.

4. पीएमएमए हड्डी सीमेंट एम्बेडिंग विधि का उपयोग करके एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण के लिए एल 5 कशेरुका लोडिंग सतह तैयार करना

  1. एक रोटरी उपकरण से जुड़े एक हीरे-कटऑफ व्हील ( सामग्री की तालिकादेखें) का उपयोग करके, अनुप्रस्थ और स्पिनस प्रक्रिया (चित्रा 4) को हटाने के लिए प्रत्येक पेडिकल पर एक कट बनाएं। यदि सेंट्रम से जुड़ा छोड़ दिया जाता है, तो कशेरुक प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप पूरे सेंट्रम में लोड के वितरण के विपरीत प्रक्रियाओं पर ऊपरी/निचले प्लेटन्स के साथ स्थानीय संपर्क हो सकते हैं।
  2. सभी इंटरवर्टेब्रल डिस्क, नरम ऊतक और अनियमितताओं को हटाने के लिए ठीक 120-ग्रिट सैंडपेपर ( सामग्री की तालिकादेखें) का उपयोग करके कशेरुका के दुम के अंत को धीरे से रेत दें।
  3. बाद में आसान पहचान के लिए एक स्थायी मार्कर के साथ रेत दुम अंत को चिह्नित करें।
  4. निर्माता के निर्देशों के अनुसार पीएमएमए हड्डी सीमेंट मिलाएं ( सामग्री की तालिकादेखें)।
  5. पीएमएमए हड्डी सीमेंट के साथ अभी भी अर्ध-नरम, कशेरुका के कपाल (अचिह्नित) छोर पर एक न्यूनतम राशि रखें, यह सुनिश्चित करते हुए कि पूरी सतह कवर की गई है, जबकि कशेरुका हड्डी के नमूने को हाइड्रेटेड और ठंडा रखने के लिए खारा स्नान में बैठता है।
  6. पीएमएमए के साथ अभी भी अर्ध-नरम, नीचे की ओर दुम (चिह्नित) पक्ष के साथ नीचे की ओर कशेरुका की स्थिति (चित्रा 5)।
  7. ड्राइव गियर को संलग्न करने के लिए मशीन को चालू करें और धीरे-धीरे शीर्ष प्लैटन को कशेरुका + पीएमएमए हड्डी सीमेंट कॉम्प्लेक्स पर कम करें जब तक कि हड्डी सीमेंट के साथ संपर्क नहीं किया जाता है और पीएमएमए को हड्डी की सतह पर समान रूप से वितरित करने के लिए न्यूनतम बल (<0.5 एन) लागू किया जाता है। एक तटस्थ स्थिति में शीर्ष प्लैटन को क्षैतिज के रूप में अनुमानित किया जा सकता है और, अर्ध-नरम पीएमएमए पर दबाते समय, पीएमएमए को कशेरुका के कपाल छोर पर संक्षिप्तता को भरने और शीर्ष प्लैटन के नीचे एक सपाट क्षैतिज सतह बनाने का कारण होगा।
  8. शीर्ष प्लैटन धीरे पीएमएमए हड्डी सीमेंट पर नीचे दबाने के साथ, नमूना पीएमएमए हड्डी सीमेंट पूरी तरह से कठोर (~ 10 वर्तमान अध्ययन में इस्तेमाल पीएमएमए हड्डी सीमेंट के लिए निर्माता के निर्देशों प्रति प्रति मिनट) तक अबाधित बैठने दें। नमूना को खारा स्नान में रखें या नमूना हाइड्रेटेड और ठंडा रखने के लिए इस अवधि के दौरान अक्सर खारा के साथ धुंध करें।
  9. एक बार पीएमएमए हड्डी सीमेंट पूरी तरह से कठोर हो जाने के बाद, संपीड़न परीक्षण शुरू हो सकता है। यांत्रिक परीक्षण के डेटा संग्रह के लिए डिज़ाइन किए गए डिजिटल सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके वास्तविक समय में एक स्प्रेडशीट में सेंसर से लोड (यानी, बल) (एन) और विस्थापन (यानी, विक्षेपण) (मिमी) के लिए डेटा एकत्र करें ( सामग्री की तालिकादेखें)।
  10. 5 एस के लिए आधारभूत डेटा संग्रह के बाद, <0.5 एन की न्यूनतम प्रीलोड बल पर लागू किया जाता है, संपीड़न परीक्षण (~ 1 मिमी / मिनट) शुरू करने के लिए पूर्व-निर्धारित कम गति को एक (यानी, मोनोटोनिक) पर नमूने पर शीर्ष प्लैटन को कम करना शुरू करें।
  11. एक बार लोड (एन) में बड़ी कमी देखी गई है, जो सामग्री की विफलता का संकेत देती है, डेटा एकत्र करना बंद कर दें।
    नोट: निर्माता निर्देश पीएमएमए हड्डी सीमेंट के लिए अनुमानित सख्त समय निर्दिष्ट करेंगे। पीएमएमए हड्डी सीमेंट के लिए सख्त समय पीएमएमए हड्डी सीमेंट के प्रकार के आधार पर भिन्न हो सकता है। PMMA सख्त होने का प्रतीक्षा समय निर्धारित करने के लिए निर्माता के निर्देशों का पालन करें। हालांकि, एक संकेतक के रूप में कि पीएमएमए हड्डी सीमेंट पूरी तरह से कठोर हो गया है, पीएमएमए हड्डी सीमेंट का एक अतिरिक्त नमूना उसी समय मिश्रित किया जा सकता है जिसे नमूना कशेरुका पर रखा जाएगा लेकिन एक तरफ रखा जाएगा और यह देखने के लिए जांच की जाएगी कि क्या यह अभी भी नरम है या पूरी तरह से कठोर। यदि पूरी तरह से कठोर किया जाता है, तो यह संकेत दे सकता है कि हड्डी + पीएमएमए कॉम्प्लेक्स को परेशान किए बिना हड्डी पर पीएमएमए भी पूरी तरह से कठोर है। हड्डी का नमूना पीएमएमए सख्त और परीक्षण अवधि के दौरान अच्छी तरह से हाइड्रेटेड और ठंडा रहना चाहिए। शुष्क हवा के संपर्क में आने के कुछ मिनटों के परिणामस्वरूप बायोमैकेनिकल गुणों में परिवर्तन हो सकता है। कुछ शोधकर्ताओं एक खारा स्नान19 के साथ सुसज्जित संपीड़न परीक्षण मशीनों का उपयोग करें. संपीड़न परीक्षण मशीन में वर्तमान अध्ययन में खारा स्नान नहीं था। इसके बजाय, पीएमएमए सख्त अवधि और परीक्षण अवधि के दौरान खारा की एक अच्छी धुंध नियमित रूप से लागू की गई थी।

5. L5 कशेरुका एकअक्षीय संपीड़न परीक्षणों के लिए लोड-विस्थापन घटता का विश्लेषण

  1. स्प्रेडशीट से लोड (एन) और सही विस्थापन (मिमी) डेटा को तकनीकी रेखांकन और डेटा विश्लेषण सॉफ्टवेयर में कॉपी और पेस्ट करें ( सामग्री की तालिकादेखें)।
  2. वाई-अक्ष पर लोड (एन) के साथ एक ग्राफ उत्पन्न करें और एक्स-अक्ष (चित्रा 6) पर सही नमूना विस्थापन (Δxनमूना, मिमी) को ठीक करें। सॉफ्टवेयर में इसे पहले विंडोज, न्यू टेबल पर क्लिक करके करें, फिर टेबल बनाने के लिए करें। कच्चे डेटा स्प्रेडशीट से सही विस्थापन (मिमी) और लोड (एन) डेटा को नई तालिका में कॉपी करें।
  3. अगला, डेटा पर क्लिक करके कच्चे डेटा का प्रतिनिधित्व करने के लिए एक तरंग उत्पन्न करें, फिर वेवफॉर्म के लिए XY जोड़ी पर क्लिक करें और एक्स-वेव के लिए सही विस्थापन डेटा का चयन करें और वाई-वेव के लिए डेटा लोड करें। सुनिश्चित करें कि डेटा बिंदुओं की सही संख्या "अंकों की संख्या" बॉक्स में है, तरंग को नाम दें, फिर मेक वेवफॉर्म पर क्लिक करें। एक बार एक तरंग बनाया गया है, विंडोज, तो नया ग्राफ पर क्लिक करके एक ग्राफ उत्पन्न करें, और वाई-अक्ष पर तरंग जगह और एक्स अक्ष पर "गणना".
  4. विश्लेषण के लिए ग्राफ़ पर रुचि के बिंदुओं/क्षेत्रों को चिह्नित करने के लिए कर्सर टूल का उपयोग करें। सामान्य पूरी-हड्डी यांत्रिक गुणों की गणना करने के लिए ब्याज के कुछ बिंदुओं / क्षेत्रों का उल्लेख चरण 5.4-5.8 (चित्रा 6) में किया गया है, और इसमें कार्य-से-विफलता (एन एक्स मिमी), अधिकतम भार (एन), कठोरता (एन / मिमी), उपज भार (एन), और उपज के बाद विस्थापन (मिमी)।
  5. कार्य-से-विफलता (एन एक्स मिमी) की गणना के लिए, परीक्षण की शुरुआत में एक कर्सर (ए) और सामग्री विफल होने से ठीक पहले बिंदु पर एक कर्सर (बी) रखें (यानी, परीक्षण के दौरान अधिकतम भार तक पहुंचने से पहले लोड में बड़ी कमी देखी जाती है)।
    नोट: इस प्रकार, कर्सर A-B परीक्षण की संपूर्णता को ब्रैकेट करेगा जब सामग्री बलों का सामना करना शुरू कर देती है और उस बिंदु तक विस्थापन से गुजरती है जहां सामग्री विफल हो जाती है। कार्य-से-विफलता (एन एक्स मिमी) को वक्र के नीचे कुल क्षेत्र के रूप में मापा जा सकता है (यानी, कर्सर ए और बी के बीच वक्र के नीचे का क्षेत्र)।
  6. परीक्षण के दौरान देखे गए लोड के लिए उच्चतम मूल्य के रूप में अधिकतम भार (एन) की गणना करें (यानी, कर्सर बी पर लोड)।
  7. रैखिक लोचदार क्षेत्र के ढलान (यानी, कर्सर सी और डी के बीच ढलान) के रूप में सामग्री की कठोरता (एन/मिमी) की गणना करें।
  8. उपज भार (एन) वह भार है जिस पर लोड-विस्थापन वक्र रैखिकता से विचलित होता है और प्लास्टिक क्षेत्र में प्रवेश करता है, इस प्रकार स्थायी विकृति (यानी, बिंदु डी पर भार) को बनाए रखता है। कर्सर D पर भार मापकर इसकी गणना कीजिए।
  9. उपज के बाद विस्थापन (मिमी) एक सामग्री की लचीलापन का एक संकेतक है। इसे उपज बिंदु और सामग्री विफलता के बिंदु (यानी, कर्सर डी और बी के बीच विस्थापन) के बीच विस्थापन के रूप में मापें।
    नोट: ऊपर सूचीबद्ध पैरामीटर केवल कुछ सामान्य पूरे-हड्डी यांत्रिक गुणों की सूचना दी गई है। यह सभी पूरे-हड्डी यांत्रिक गुणों की पूरी सूची नहीं है जो लोड-विस्थापन वक्र से प्राप्त की जा सकती है। अन्य पूरी-हड्डी यांत्रिक संपत्ति मापदंडों में कुल विस्थापन (मिमी), लोचदार ऊर्जा अवशोषित (एन एक्स मिमी), लोचदार विस्थापन (मिमी), प्लास्टिक ऊर्जा अवशोषित (एन एक्स मिमी), और प्लास्टिक विस्थापन (मिमी) शामिल हैं। इसके अलावा, ऊतक-स्तर की हड्डी यांत्रिक गुण सूचीबद्ध नहीं हैं; इन्हें हड्डी के व्यास जैसे विशिष्ट शारीरिक मापों का उपयोग करके डेटा परिवर्तनों की आवश्यकता होती है। सॉफ्टवेयर में लोड-विस्थापन वक्र से माप करने के लिए उदाहरण कोड पूरक फ़ाइल 1 में सूचीबद्ध किया गया है।

Representative Results

इस चरण-दर-चरण प्रोटोकॉल के साथ जो L5 लोडिंग सतह के एम्बेडिंग और एक परिवर्तनीय तीन-बिंदु झुकने वाली मशीन / संपीड़न परीक्षण मशीन का उपयोग करता है, अंतर-समूह तुलना के लिए माउस काठ का कशेरुका पर संपीड़न परीक्षण करना संभव है। चौबीस माउस L5 कशेरुकाओं की कुल एम्बेडिंग विधि का उपयोग कर तैयार किए गए थे. हालांकि, तीन नमूने एक रोटरी उपकरण पर हीरे के कटऑफ व्हील का उपयोग करके कशेरुक प्रक्रियाओं को हटाने के दौरान क्षतिग्रस्त हो गए थे और इस प्रकार, परीक्षण नहीं किया गया था। इसे देखते हुए, सूचीबद्ध यांत्रिक गुणों को एम्बेडिंग विधि का उपयोग करके चौबीस नमूनों में से इक्कीस से सफलतापूर्वक प्राप्त किया गया था। प्रत्येक परीक्षण के बाद नमूनों का नेत्रहीन निरीक्षण किया गया था, और पीएमएमए कैप को किसी भी परीक्षण में कोई नुकसान नहीं हुआ। जैसा कि उल्लेख किया गया है, वर्तमान अध्ययन में उपयोग किए जाने वाले चूहे युवा और बढ़ते C57BL/6 मादा चूहों की हड्डियों पर आहार भांग के प्रभावों को निर्धारित करने के उद्देश्य से एक बड़े अध्ययन का हिस्सा थे। पांच आमतौर पर रिपोर्ट किए गए पूरे हड्डी यांत्रिक गुणों के वर्णनात्मक आंकड़े तालिका 1 में पेश किए जाते हैं। सभी इक्कीस नमूनों के लिए लोड-विस्थापन घटता चित्रा 7 में प्रदान किए गए हैं।

Figure 1
चित्रा 1: एक संपीड़न परीक्षण मशीन के लिए एक तीन-बिंदु झुकने वाली मशीन का रूपांतरण। (ए) मशीन पूरी तरह से विस्थापन सेंसर और लोड सेंसर के साथ तीन-बिंदु झुकने वाली मशीन के रूप में संचालित करने के लिए सुसज्जित है (सफेद तीर)। (बी) क्रॉसहेड बीम को हटा दिए जाने के बाद मशीन। (सी) एक स्व-संरेखित शीर्ष प्लैटन के बाद मशीन को रखा गया है जहां क्रॉसहेड बीम पहले रखा गया था। (डी) उनमें ड्रिल किए गए छेद के साथ निचले समर्थन बीम। (ई) स्टेनलेस स्टील के नीचे का प्लैटन जिसमें चार थ्रेडेड छेद होते हैं, और एक स्क्रू आंशिक रूप से छेद में से एक में खराब हो जाता है। फोटो में नहीं दिख रहे अन्य दो छेद विपरीत दिशा में हैं। (एफ) निचले समर्थन बीम नीचे के प्लैटन के साथ चार हेक्स शिकंजा द्वारा उनसे जुड़े होते हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: एक उदाहरण प्रणाली विस्थापन (Δxमशीन) बनाम लोड प्लॉट एक रैखिक (ए), लघुगणक (बी), दूसरे क्रम के बहुपद (सी), और तीसरे क्रम के बहुपद (डी) प्रतिगमन के साथ लगाया गया है। इस उदाहरण में, तीसरे क्रम का बहुपद प्रति आर2 मान के लिए सबसे अच्छा फिट प्रदान करता है, और इसके प्रतिगमन का उपयोग सिस्टम विस्थापन सुधार कारक के रूप में किया जाता है। छवियां प्रतिगमन फिटिंग प्रदर्शित करने के लिए उदाहरण डेटा का प्रतिनिधित्व करती हैं और व्यक्तिगत मशीनों के लिए शोधकर्ताओं द्वारा प्राप्त करने की आवश्यकता होगी। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: माउस काठ का कशेरुक स्तंभ। L6 को हटाने से पहले एक विदारक माइक्रोस्कोप के तहत एक माउस काठ का कशेरुक स्तंभ (A), और L6 को हटा दिए जाने के बाद, L5 संलग्न (B) छोड़ दिया गया था। L5 को बाद में हटा दिया जाएगा और संपीड़न परीक्षण के लिए तैयार किया जाएगा। सफेद रंग के बैंड इंटरवर्टेब्रल डिस्क होते हैं जिन्हें विच्छेदित और हटा दिया जाता था। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: एल 5 कशेरुका की शारीरिक रचना। एक विदारक माइक्रोस्कोप के तहत कपाल, दुम, पृष्ठीय और उदर विचारों में एक प्रतिनिधि माउस L5 कशेरुका। कशेरुक शरीर के लिए महत्वपूर्ण आयामों में ऊंचाई, पृष्ठीय चौड़ाई और पार्श्व चौड़ाई शामिल हैं, जैसा कि रंगीन रेखाओं द्वारा दिखाया गया है। काली धराशायी रेखाएं लगभग दिखाती हैं कि कशेरुक प्रक्रियाओं को हटाने के लिए कटौती कहाँ की जानी है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: पीएमएमए हड्डी सीमेंट की सख्त अवधि। PMMA हड्डी सीमेंट (हरा) के साथ एक उदाहरण L5 कशेरुका कपाल एंडप्लेट पर रखा गया है और शीर्ष प्लैटन PMMA हड्डी सीमेंट + हड्डी परिसर पर उतारा गया है। एक बार पीएमएमए हड्डी सीमेंट पूरी तरह से कठोर हो जाने के बाद, संपीड़न परीक्षण शुरू हो जाएगा। सामग्री की विफलता देखी जाने तक शीर्ष प्लैटन को और कम किया जाएगा। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्रा 6: माउस कशेरुक हड्डी संपीड़न परीक्षण लोड-विस्थापन वक्र और डेटा विश्लेषण। कर्सर ए संपीड़न परीक्षण की शुरुआत को चिह्नित करता है। कर्सर बी सामग्री विफलता के बिंदु को चिह्नित करता है। कर्सर सी रैखिक लोचदार क्षेत्र की शुरुआत को चिह्नित करता है, जबकि कर्सर डी अंत (यानी, उपज बिंदु) को चिह्नित करता है। हल्के भूरे रंग में छायांकित क्षेत्र रैखिक लोचदार क्षेत्र है, जहां लोड हटा दिए जाने पर सामग्री अपने मूल आकार में वापस आ जाएगी। गहरे भूरे रंग का क्षेत्र प्लास्टिक क्षेत्र है, जहां सामग्री स्थायी विकृति से गुजर चुकी है और लोड हटा दिए जाने पर अपने मूल आकार में वापस नहीं आएगी। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्रा 7: सभी इक्कीस हड्डी के नमूनों के लिए लोड-विस्थापन घटता। हड्डियों के बीच पैटर्न अलग-अलग होते हैं। सामान्य तौर पर, सबसे बड़ी परिवर्तनशीलता उपज के बाद के विस्थापन में थी, हड्डियों के कुछ (एन = 5) अपेक्षाकृत छोटे उपज के बाद विस्थापन और अन्य (एन = 16) में अपेक्षाकृत बड़े पोस्ट-उपज विस्थापन थे। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

समूह कार्य-से-विफलता (एन * मिमी) अधिकतम भार (एन) कठोरता (एन / मिमी) यील्ड लोड (एन) पोस्ट-यील्ड विस्थापन (मिमी)
कॉन (एन = 7) 13.43 ± 2.44 ए, बी 37.93 ± 3.28 109.14 ± 11.86 22.68 ± 2.04 0.34 ± 0.06
5HS (n = 8) 12.12 ± 1.23 ए 33.62 ± 2.43 99.70 ± 16.62 20.88 ± 2.69 0.38 ± 0.08
15HS (n = 6) 19.55 ± 2.13 B 41.82 ± 1.85 134.58 ± 19.73 28.07 ± 3.20 0.51 ± 0.07
संयुक्त समूह (n = 21) 14.68 ± 1.27 37.40 ± 1.63 121.82 ± 9.43 23.54 ± 1.60 0.40 ± 0.04

तालिका 1: लोडिंग सतह तैयारी एम्बेडिंग विधि का उपयोग करके प्राप्त आमतौर पर रिपोर्ट किए गए पूरे-हड्डी यांत्रिक गुणों के लिए प्रतिनिधि मान। वर्तमान अध्ययन में विस्तृत सभी प्रोटोकॉल का उपयोग करके मूल्य प्राप्त किए गए थे। इस प्रकार, मान उन लोगों का प्रतिनिधित्व करते हैं जिन्हें यहां वर्णित विधियों का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। मान एसईएम ± साधन हैं। समूह C57BL/6 मादा चूहों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जिन्हें 0% (CON), 50 g/kg (5%) (5HS), या 150 g/kg (15%) (15HS) की सांद्रता में पूरे भांग के साथ समृद्ध आहार खिलाया जाता है। मापदंडों में से एक के लिए (काम-से-विफलता), ऐसा प्रतीत होता है कि आहार एक तरफ़ा एनोवा (पी < 0.05) प्रति मूल्यों को प्रभावित करता है। एक ही अक्षर सुपरस्क्रिप्ट साझा करने वाले मान काफी भिन्न नहीं हैं (पी > 0.05), जबकि अलग-अलग अक्षर सुपरस्क्रिप्ट वाले मान काफी भिन्न हैं (पी < 0.05), प्रति टुकी-क्रेमर पोस्ट हॉक विश्लेषण।

अनुपूरक फ़ाइल 1: पूरी हड्डी यांत्रिक गुण प्राप्त करने के लिए उदाहरण कोड। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

वर्तमान अध्ययन का लक्ष्य एक परिवर्तनीय तीन-बिंदु झुकने वाली मशीन / संपीड़न परीक्षण मशीन के निर्माण का वर्णन करना था, साथ ही यूनिक्सियल संपीड़न परीक्षण से पहले माउस काठ का कशेरुक के नमूनों की तैयारी के लिए पीएमएमए हड्डी सीमेंट एम्बेडिंग विधि का उपयोग करना था। हड्डी के नमूनों के लिए वर्णनात्मक आंकड़े प्राप्त किए गए और रिपोर्ट किए गए, जो भविष्य के अध्ययनों में तुलना के लिए उपयोगी होंगे। वर्तमान अध्ययन में सबसे अधिक रिपोर्ट किए गए कुछ पूरे हड्डी यांत्रिक गुणों का विश्लेषण किया गया था। हालांकि, यह ध्यान देने योग्य है कि कई अतिरिक्त पूरी-हड्डी और ऊतक-स्तरीय यांत्रिक गुण हैं जिनकी यहां जांच नहीं की गई थी।

यह स्पष्ट नहीं है कि एम्बेडिंग विधि का उपयोग करके तैयार किए गए नमूनों से प्राप्त यांत्रिक गुण माउस काठ का कशेरुकाओं के लिए काटने की विधि का उपयोग करके तैयार किए गए लोगों की तुलना कैसे करते हैं। शुमानचर17 ने पहले दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग करके तैयार चूहे कशेरुकाओं के यांत्रिक गुणों का आकलन किया और पाया कि एम्बेडिंग विधि का उपयोग करके तैयार किए गए कशेरुकाओं में काटने की विधि का उपयोग करके तैयार किए गए नमूनों की तुलना में काफी कम कठोरता, उच्च उपज विस्थापन, और उच्च उपज तनाव था। सतह की तैयारी को लोड करने के दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग करके मापा जाने पर चूहों या अन्य जानवरों के मॉडल के कशेरुक यांत्रिक गुणों की तुलना कैसे की जाती है, यह समझने के लिए आगे के लक्षण वर्णन की आवश्यकता है। यह उम्मीद की जाती है कि कुछ पैरामीटर विभिन्न तरीकों का उपयोग करके तैयार कशेरुकाओं के बीच भिन्न होते हैं, यह देखते हुए कि एम्बेडिंग विधि नमूने में सामग्री जोड़ती है लेकिन अंत प्लेट को संरक्षित करती है, जो विवो17,27 में कशेरुक फ्रैक्चर में एक महत्वपूर्ण संरचना है। कपाल के अंत में हड्डी सीमेंट के अलावा नमूने में ऊंचाई जोड़ता है, जबकि अंत प्लेटों को काटने से ऊंचाई दूर हो जाती है, पहलू अनुपात बदल जाता है और इस तरह कठोरता जैसे यांत्रिक गुणों को बदल दिया जाता है। इसके अलावा, हालांकि पीएमएमए कशेरुक रद्द हड्डी की तुलना में कठोर है, यह संभव है कि पीएमएमए विस्थापन से गुजरता है, और इस विस्थापन की सीमा को और लक्षण वर्णन की आवश्यकता है। इसके अतिरिक्त, यह स्पष्ट नहीं है कि एम्बेडिंग विधि या काटने की विधि से प्राप्त परिणाम माउस कशेरुकाओं के लिए परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग करके हड्डी मापदंडों की भविष्यवाणियों की तुलना कैसे करते हैं या परिणाम विभिन्न परिस्थितियों में कैसे भिन्न होते हैं (जैसे, गति कम करना, विभिन्न कशेरुक स्तर, पीएमएमए रचनाएं)। फिर भी, क्योंकि सभी नमूने एक समान तरीके से तैयार किए जाते हैं, यह विधि उपयुक्त है और एक ही अध्ययन में उपचार समूहों के बीच तुलना करने का एक आसान और लागत प्रभावी साधन है जहां नमूने तैयार किए जाते हैं और समान परिस्थितियों में परीक्षण किया जाता है।

संपीड़न परीक्षण से पहले नमूना तैयारी के बारे में, नमूने को प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य तरीके से तैयार करना आवश्यक है। वर्तमान अध्ययन में वर्णित विधि की एक संभावित सीमा कशेरुक प्रक्रियाओं को हटाने के लिए एक रोटरी उपकरण का उपयोग है। माउस काठ का कशेरुक प्रक्रियाओं को हटाने के लिए एक और विधि Pendleton एट अल 19, जो अधिक सुसंगत नमूना तैयार करने के लिए अनुमति दे सकता है द्वारा वर्णित किया गया है. इसके अलावा, पीएमएमए हड्डी सीमेंट के आवेदन से विसंगतियां उत्पन्न हो सकती हैं। इसलिए, वॉल्यूम के मामले में लगातार बोन सीमेंट लगाना महत्वपूर्ण है, प्लेसमेंट और सख्त समय। हालांकि, एम्बेडिंग विधि काटने की विधि की तुलना में लगातार नमूना तैयार करने का एक सरल साधन प्रदान कर सकती है, क्योंकि यह पूरी तरह से प्राप्त करने के लिए चुनौतीपूर्ण हो सकता है, समानांतर कटौती उनके छोटे आकार और नाजुकता के कारण सभी नमूनों के बीच लगातार होती है। एम्बेडिंग बनाम का उपयोग करके तैयार किए गए नमूनों से प्राप्त परिणामों की सटीकता का आकलन करने के लिए भविष्य के अध्ययन की आवश्यकता होगी। काटने की विधि।

जैसा कि उल्लेख किया गया है, एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण से पहले माउस काठ का कशेरुकाओं की नमूना तैयारी के लिए एम्बेडिंग विधि के आगे लक्षण वर्णन और जांच की आवश्यकता है। बहरहाल, यह अध्ययन दर्शाता है कि इस तरह की विधि को नियोजित किया जा सकता है, प्रस्तावित विधि का विस्तृत विवरण प्रदान करता है, और विधि का उपयोग करके तैयार किए गए नमूनों से मापा मापदंडों के वर्णनात्मक आंकड़े प्रदान करता है। उपलब्ध पद्धति की वर्तमान कमी के कारण यह प्रोटोकॉल क्षेत्र के लिए मूल्यवान है। इसके अलावा, इस विधि बेहतर तंत्र जिसके द्वारा विवो कशेरुक फ्रैक्चर में अन्य तरीकों17,27 की तुलना में होते हैं नकल कर सकते हैं. इस विधि में वर्तमान में रिपोर्ट किए गए अन्य तरीकों से जुड़ी तकनीकी कठिनाइयों पर काबू पाने का लाभ भी है, जिससे हड्डी अनुसंधान में एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण अधिक संभव हो जाता है। यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि दवाओं, आहार, या अन्य हस्तक्षेप cortical-अमीर हड्डियों (जैसे, लंबी हड्डी मध्य diaphysis) और trabecular-समृद्ध हड्डियों (जैसे, कशेरुक निकायों) अलग तरह से प्रभावित कर सकते हैं, अभी तक तीन बिंदु झुकने प्रमुख विधि है हड्डियों13 के यांत्रिक गुणों का आकलन करने के लिए. तीन-बिंदु झुकने और एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण का संयोजन एक परिवर्तनीय तीन-बिंदु झुकने / संपीड़न परीक्षण मशीन के उपयोग के माध्यम से और भी आसानी से प्राप्त किया जा सकता है। इस प्रकार, वर्तमान अध्ययन में शोधकर्ताओं के लिए एक ही अध्ययन में कॉर्टिकल-समृद्ध और ट्रैब्युलर-समृद्ध हड्डी दोनों का आकलन करने के दो संभावित साधनों का प्रस्ताव है, संभावित रूप से इस बात की बेहतर समझ है कि किसी दिए गए उपचार प्रयोगात्मक समूहों के बीच विभिन्न हड्डी प्रकारों को कैसे प्रभावित करता है।

Disclosures

लेखक हितों के टकराव की घोषणा नहीं करते हैं।

Acknowledgments

हम महत्वपूर्ण प्रयासों के लिए आभारी हैं कि कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी-प्यूब्लो डिपार्टमेंट ऑफ इंजीनियरिंग ने तीन-बिंदु झुकने वाली मशीन के निर्माण और एक परिवर्तनीय तीन-बिंदु झुकने / संपीड़न परीक्षण मशीन में इसके संशोधन में प्रदान किया। हम विशेष रूप से मशीन शॉप समन्वयक श्री पॉल वालेस के आभारी हैं, मशीन के निर्माण और संशोधन की योजना बनाने और उन्हें पूरा करने के उनके प्रयासों के लिए। डॉ. बहा अंसाफ (कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी-प्यूब्लो, इंजीनियरिंग विभाग) और डॉ. फ्रांज़िस्का सैंडमीयर (कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी-प्यूब्लो, जीवविज्ञान विभाग) की विशेषज्ञता और प्रतिक्रिया ने भी इस परियोजना में महत्वपूर्ण योगदान दिया। कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी-प्यूब्लो में इंस्टीट्यूट ऑफ कैनबिस रिसर्च ग्रांट ने बड़ी परियोजना को वित्त पोषित किया कि यह प्रयोग चूहों, अभिकर्मकों और उपयोग किए गए कुछ उपकरणों की खरीद के लिए एक हिस्सा था और अनुमति दी गई थी।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
120-Grit Sand Paper N/A N/A For removal of caudal end plate soft tissues and irregularities
24-bit Load Cell Interface LoadStar Sensors, Freemont, California, USA DQ-1000 To connect load and displacement sensors to personal coputer
Base Mouse Diet Dyets, Inc, Bethlehem, PA, USA AIN-93G Diet the mice were fed, without added hempseed
Diamond Cutoff Wheel w/ Rotary Tool Dremel US, Mt. Prospect, Illinois, USA F0130200AK To remove vertebral proccesses
Displacement Sensor Mitutoyo, Aurora, Illinois, USA ID-S112EX Displacement sensor with 0.001 mm resolution and 0.00305 mm accuracy
External Variable Voltage Power Source Extech Instruments, Nashua, New Hampshire, USA 382213 To provide power to compression testing machine
Female C57BL/6 Mice Charles River Laboratories, Wilmington, Massachusetts, USA 027 (Strain Code) Mouse model used in present study
Hempseed Natera, Pitt Meadows, Canada 670834012199 Hempseed added to Base Mouse Diet
Igor Pro Software (Version 8.04) Wave Metrics, Portland, Oregon, USA N/A Sofware used for load-displacement curve analysis
iLoad Mini Force Sensor LoadStar Sensors, Freemont, California, USA MFM-010-050-S Load (force) sensor with 1.0% accuracy
Isotonic (0.9%) Saline Solution N/A N/A To keep bone sampels hydrated
Leica EZ4 W Miscoscope Leica Microsystems, Wetzlar, Germany NC1601884 For bone dissections and vertebral process removal
Microsoft Excel Software Microsoft Corporation, Redmond, Washington, USA N/A For data transfer from SensorVue software
PALACOS R Bone Cement Hareus Medical, Wehreim, Germany 00-1112-140-01 PMMA bone cement for embedding of the loading surface
Personal Computer N/A N/A For data recording (see 24-bit Load Cell Interface, SensorVue Software, Microsoft Excel Software) and analysis (see Igor Pro Software)
SensorVue Software LoadStar Sensors, Freemont, California, USA N/A Software used for real-time data collection during compression testing
Small Animal Dissecting Kit N/A N/A Dissecting scissors, forceps, scalpel, blades, pins, gauze pads
Stainless Steel Top Platen (Self-Alligning) and Bottom Platen Pair N/A N/A Constructed by Colorado State University-Pueblo Dept. of Engineering
Three-Point Bending Machine N/A N/A Constructed by Colorado State University-Pueblo Dept. of Engineering. Refer to Sarper et al. (2014) for further details regarding construction

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kemmak, A. R., et al. Economic burden of osteoporosis in the world: A systematic review. Medical Journal of The Islamic Republic of Iran. 34, 153 (2020).
  2. Li, J., et al. Different bone remodeling levels of trabecular and cortical bone in response to changes in Wnt/β-catenin signaling in mice. Journal of Orthopaedic Research. 35 (4), 812-819 (2016).
  3. Crandall, C. Parathyroid hormone for treatment of osteoporosis. JAMA Internal Medicine. 162 (20), 2297-2309 (2002).
  4. Ott, S. M. Cortical or trabecular bone: what's the difference. American Journal of Nephrology. 47 (6), 373-375 (2018).
  5. Sparks, C. A., Streff, H. M., Williams, D. W., Blanton, C. A., Gabaldón, A. M. Dietary hempseed decreases femur maximum load in a young female C57BL/6 mouse model but does not influence bone mineral density or micro-architecture. Nutrients. 14 (20), 4224 (2022).
  6. Blanton, C. A., Barrott, J. J., Kunz, K., Bunde, E., Streff, H. M., Sparks, C. A., et al. The Impact of Hempseed Consumption on Bone Parameters and Body Composition in Growing Female C57BL/6 Mice. International Journal of Environmental Research and Public Health. 19 (10), 5839 (2022).
  7. Sarper, H., Blanton, C., Depalma, J., Melnykov, I. V., Gabaldón, A. M. Simulated weightlessness and synbiotic diet effects on rat bone mechanical strength. Life Sciences in Space Research. 3, 45-54 (2014).
  8. Choman, M. The Effect of a synbiotic diet on the structure and strength of cortical bone in aging male mice. , Colorado State University-Pueblo. Pueblo, CO. (2015).
  9. Sparks, C. A., Giltner, Z. T., Blanton, C. A., Gabaldón, A. M. The Effects of a synbiotic diet on humerus bone mineralization and mechanical strength in aging male mice. El Río. 4 (1), 3-12 (2021).
  10. Bilezikian, J. P., Martin, T. J., Clemens, T. L., Rosen, C. J. Principles of bone biology (Fourth Edition). , Academic Press. Cambridge, MA, USA. (2019).
  11. Jepsen, K. J., et al. Establishing biomechanical mechanisms in mouse models: practical guidelines for systematically evaluating phenotypic changes in the diaphyses of long bones. Journal of Bone and Mineral Research. 30 (6), 951-966 (2015).
  12. Vashith, D., Tanner, K. E., Bonfield, W. Contribution, development and morphology of microcracking in cortical bone during crack propagation. Journal of Biomechanics. 33 (9), 1169-1174 (2000).
  13. Turner, C. H., Burr, D. B. Basic biomechanical measurements of bone: A tutorial. Bone. 14 (4), 595-608 (1993).
  14. Warriner, A. H., et al. Which fractures are most attributable to osteoporosis. Journal of Clinical Epidemiology. 64 (1), 46-53 (2011).
  15. Donally, C. I., DiPompeo, C., Varcallo, M. Vertebral compression fractires. , StatPearls Publishing. Treasure Island, FL, USA. (2022).
  16. Alhadhoud, M., Alsiri, N. The epidemiology of spinal fractures in a level 2 trauma center in Kuwait. SAGE Open Medicine. 9, 1-11 (2021).
  17. Schumancher, Y. Comparison of two loading surface preparation methods on rat vertebral bodies for compression testing. , Queens University. Kingston, Ontario, Canada. (2013).
  18. Rathore, M., Sharma, D., Sinha, M., Siddiqui, A., Trivedi, S. A. Focused review - thoracolumbar spine: anatomy, biomechanics and clinical significance. Indian Journal of Clinical Anatomy and Physiology. 1 (1), 41-48 (2014).
  19. Pendleton, M. M., et al. High-precision method for cyclic loading of small-animal vertebrae to assess bone quality. Bone Reports. 9, 165-172 (2018).
  20. Lundon, K., Bolton, K. Structure and function of the lumbar intervertebral disk in health, aging, and pathologic conditions. Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy. 31 (6), 291-306 (2011).
  21. Sharir, A., Barak, M. M., Shahar, R. Whole bone mechanics and mechanical testing. The Veterinary Journal. 177 (1), 8-17 (2008).
  22. Zhao, S., et al. Standardizing compression testing for measuring the stiffness of human bone. Bone & Joint Research. 7 (8), 524-538 (2018).
  23. Akhter, M. P., Jung, L. K. L. Decreased bone strength in HLA-B27 transgenic rat model of spondyloarthropathy. Rheumatology. 46 (8), 1258-1262 (2007).
  24. Shahnazari, M., et al. Higher doses of bisphosphonates further improve bone mass, architecture, and strength but not the tissue material properties in aged rats. Bone. 46 (5), 1267-1274 (2011).
  25. Chachra, D., Kasra, M., Vanin, C., MacLusky, N., Casper, R., Grynpas, M. The effect of different hormone replacement therapy regimens on the mechanical properties of rat vertebrae. Calified Tissue International. 56 (2), 130-134 (1995).
  26. Bushinsky, D. A., Willet, T., Asplin, J. R., Culbertson, C., Sara, C., Grynpas, M. Chlorthalidone improves vertebral bone quality in genetic hypercalciuric stone-forming rats. The Journal of Bone and Mineral Research. 26 (8), 1904-1912 (2011).
  27. Fujiwara, T., Akeda, K., Yamada, J., Kondo, T., Sudo, A. Endplate and intervertebral disc injuries in acute and single level osteoporotic vertebral fractures: is there any association with the process of bone healing. BMC Musculoskeletal Disorders. 20 (1), 336 (2019).
  28. Kalidindi, S. R., Abusafieh, A. Accurate characterization of machine compliance for simple compression testing. Experimental Mechanics. 37 (2), 210-215 (1997).

Tags

जीवविज्ञान अंक 202
माउस लम्बर वर्टेब्रा लोडिंग सतह के एम्बेडिंग के साथ Uniaxial संपीड़न परीक्षण
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sparks, C. A., Ansaf, R. B.,… More

Sparks, C. A., Ansaf, R. B., Gabaldón, A. M. Mouse Lumbar Vertebra Uniaxial Compression Testing with Embedding of the Loading Surface. J. Vis. Exp. (202), e65502, doi:10.3791/65502 (2023).

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