تقييم هشاشة العظام القشرية الأبقار باستخدام اختبارات الصفر
Summary
ويقيم هذه الدراسة المتانة كسر العظام القشرية البقري على المستويات الفرعية-ميزو مجهرية الصفر الاختبارات باستخدام. هذا موضوعي الأصلي، وصرامة، واستنساخه بالأسلوب المقترح للتحقيق المتانة كسر أدناه جدول العيانية. التطبيقات المحتملة هي دراسة التغيرات في هشاشة العظام بسبب أمراض مثل هشاشة العظام.
Abstract
العظم مادة هرمية معقدة مع خمسة مستويات متميزة للمنظمة. عوامل مثل الشيخوخة والأمراض مثل هشاشة العظام زيادة هشاشة العظام، ويجعلها عرضه للكسر. نظراً للأثر الاجتماعي الاقتصادي الكبير من كسور العظام في مجتمعنا، هناك حاجة لطرق جديدة لتقييم أداء كل مستوى التسلسل الهرمي للعظام الميكانيكية. على الرغم من أن يمكن سبر وصلابة وقوة على جميع المستويات – نانو الصغيرة، المتوسطة، والعيانية – تقييم الكسر قد اقتصرت حتى الآن على التجارب العيانية. هذا القيد يحد من فهمنا لكسور العظام ويحد من نطاق الدراسات السريرية والمختبرية. في هذا البحث، علينا التحقيق في مقاومة الكسر من العظام من مجهرية لجداول طول mesoscopic باستخدام اختبارات الصفر الصغيرة جنبا إلى جنب مع ميكانيكا الكسر غير الخطية. وتجري الاختبارات في الاتجاه الطولي قصيرة على عينات العظام القشرية الأبقار. يتم وضع بروتوكول تجريبي دقيق وعدد كبير (102) من الاختبارات تجري لتقييم متانة الكسر من عينات العظام القشرية بينما المحاسبة لعدم تجانس المرتبطة بالعظام المجهرية.
Introduction
في هذه الدراسة، يمكننا قياس المتانة كسر العظام المدمجة الأبقار من المتوسطة المدى (أوستيونس) بعبارة (مستوى رقائقي) باستخدام تقنية نقطة الصفر الصغير رواية1،2،3،4، 5. كسر العمليات بما في ذلك نشر الكراك الكراك والشروع في العظام تتأثر مباشرة بجداول طول نظراً للمقومات الهيكلية المختلفة والمنظمة على مختلف مستويات التسلسل الهرمي. ولذلك، تقييم كسور العظام في أصغر طول جداول ضروري تسفر عن فهم أساسي لهشاشة العظام. من ناحية، ضغط الاختبارات التقليدية مثل الانحناء ثلاث نقاط، التوتر، وعادة يتم إجراء اختبارات فليشر في الأبقار عظم الفخذ والساق لتوصيف الانكسار في المقياس عيانية6،7، 8. من ناحية أخرى، كان كسر لبكر المسافة البادئة لقياس متانة الكسر على المستوى المجهري، المقترح9. المسافة البادئة الصغيرة أجرى باستخدام indenter لبكر لتوليد الشقوق الشعاعية. وعلاوة على ذلك، أجرى فأر أوليفر نانويندينتيشن كسر المتانة الأسلوب باستخدام مكعب حاد زاوية indenter10.
في دراسات المتانة كسر نانويندينتيشن على أساس أعلاه، قيست أطوال الشقوق الناجمة عن ذلك المراقب وتم استخدام نموذج شبه تجريبية لحساب المتانة الكسر. ومع ذلك، هذه الأساليب صفاتها، ذاتية، والنتائج التي تعتمد اعتماداً كبيرا على مهارة المراقب سبب الحاجة إلى قياس أطوال الكراك باستخدام المجهر الضوئي أو المجهر الإلكتروني المسح. وعلاوة على ذلك، أجريت اختبارات الصفر على النانو-النطاق، ولكن النموذج الرياضي الأساسي ليس على أساس الفيزياء كما أنها لا تراعي تخفيض القوة بسبب الشقوق والعيوب11. وهكذا، هناك فجوة المعرفة: أسلوب لتقييم الكسر على المستوى المجهري استناداً إلى نموذج ميكانيكية القائمة على الفيزياء. هذه الفجوة في المعرفة بدافع تطبيق اختبارات الصفر الصغير ضغط العظام بالتركيز أولاً على العينات الخنزير5. الآن تم تمديد الدراسة كذلك لفهم العظام القشرية الأبقار.
توجهات مختلفة اثنين من العينات الممكنة: طولية عرضية وقصيرة الطولية. ويناظر طولية عرضية كسر خصائص عمودي على المحور الطولي لعظم الفخذ. في حين، القصير طولية يتوافق مع خصائص الكسر على طول المحور الطولي لعظم الفخذ5. في هذه الدراسة، نقوم بتطبيق اختبار الصفر للأبقار العظام القشرية لتوصيف المقاومة كسر العظم في الاتجاه الطولي قصيرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
الجزئي نقطة الصفر اختبارات حمل كسر الوضع المختلط3. وعلاوة على ذلك، في العينات قصيرة العظام القشرية البقري طولية، يتم تنشيط عمليات الكسر كما المسبار تحفر أعمق. للصفر طويلة 3 مم، هو حجم المنشورية سبر 3,600 حوالي ميكرومتر طويلة وواسعة 600 ميكرون ميكرومتر 480 عميقة. وساعد هذا الحجم الك?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
كان يدعمها هذا العمل في الإدارة المدنية، والهندسة البيئية، وكلية الهندسة في جامعة إلينوي في “اوربانا شامبين”. ونقدر كينرا Ravindra وكافيتا كينرا زمالة لدعم الدراسات العليا من مندو كافياً. المسح الضوئي المجهر الإلكتروني التحقيق أجرى في مرافق “فريدريك سيتز مواد البحوث المختبرية” ومعهد بيكمان في جامعة إيلينوي في “اوربانا شامبين”.
Materials
| 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 |
References
- Akono, A., Reis, P., Ulm, F. Scratching as a fracture process: From butter to steel. Phys Rev Lett. 106 (20), 204302-204304 (2011).
- 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).
- Akono, A. T., Ulm, F. J. An improved technique for characterizing the fracture toughness via scratch test experiments. Wear. 313 (1-2), (2014).
- 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).
- 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).
- Melvin, J. W., Evans, F. G. Crack propagation in bone. ASME Biomech Symp. , (1973).
- Norman, T. L., Vashishth, D., Burr, D. B. Effect of groove on bone fracture toughness. J of Biomech. 25 (12), 1489-1492 (1992).
- Behiri, J. C., Bonfield, W. Crack velocity dependence of longitudinal fracture in bone. J of Mat Sc. 15 (7), 1841-1849 (1980).
- 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).
- Harding, D. S., Oliver, W. C., Pharr, G. M. Cracking during nanoindentation and its use in the measurement of fracture toughness. MRS Proceedings. 356, 663-668 (1994).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ritchie, R. O. The conflicts between strength and toughness. Nat Mater. 10 (11), 817-822 (2011).
- 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).
- Bazant, Z. P., Planas, J. . Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. 16, (1997).
