הערכה השבריריות של שור קליפת העצם שקצרנו באמצעות בדיקות שריטה
Summary
מחקר זה מעריך שבר הקשיחות של שור קליפת העצם שקצרנו ברמות תת-meso באמצעות בדיקות שריטה מיקרוסקופיים. . זה מקורי, מטרה, קפדני, והציע שיטה לשחזור לחקור שבר קשיחות להלן הסולם מאקרוסקופית. יישומים אפשריים לומדים שינויים בתוך העצמות השבריריות עקב מחלות כמו אוסטיאופורוזיס.
Abstract
העצם הוא חומר הירארכי מורכבים עם חמש רמות שונות של הארגון. גורמים כמו הזדקנות ומחלות כמו אוסטיאופורוזיס להגדיל את השבריריות של העצם, שהופך אותו שבר מועדת. בשל ההשפעה הסוציו-אקונומי גדול של שבר בחברה שלנו, יש צורך עבור הרומן דרכים להעריך את ביצועי מכני של כל רמה היררכית של העצם. למרות קשיות וחוזק פתור-סולמות כל-ננו, מיקרו, meso-, מאקרוסקופית – הערכת שבר כה מרותק בדיקה מאקרוסקופית. מגבלה זו מגבילה את ההבנה שלנו של שבר, מגבילה את היקף מעבדה ומחקרים קליניים. במחקר הזה, אנחנו חוקרים את ההתנגדות שבר של עצם מיקרוסקופיים כדי המאזניים אורך mesoscopic באמצעות מיקרו בדיקות שריטה בשילוב עם מכניקת השבר לא-ליניאריות. הבדיקות מבוצעות בכיוון האורך קצר על שור קליפת העצם שקצרנו דגימות. פרוטוקול נסיוני מוקפד מפותחת, מספר גדול (102) של הבדיקות נערכות כדי להעריך את הקשיחות שבר של עצם קורטיקלית דגימות תוך לדעה הטרוגניות המשויך עצם מיקרו.
Introduction
במחקר זה, אנו מודדים את הקשיחות שבר של עצם קומפקטית שור mesoscale (osteons) כדי microscale (מחליפי רמה) באמצעות הרומן טכניקה מאפס מיקרו1,2,3,4, 5. תהליכי שבר כולל הפצת החניכה, קראק קראק בתוך עצם מושפעים ישירות פיסיקליות בשל המרכיבים המבניים השונים של הארגון ברמות שונות של ההיררכיה. לכן, הערכת שבר-פיסיקליות קטן יותר הוא חיוני מניב הבנה בסיסי של העצמות השבריריות. מצד אחד, בחינות קונבנציונאלי השלשה כיפוף, קומפקטית מתח, flexure הבדיקות נערכות בדרך כלל על עצם הירך שור, שוקה עבור אפיון שבר סולם מאקרוסקופית6,7, 8. מצד שני, כדי למדוד את הקשיחות שבר את המשקל מיקרוסקופיים, שבר כניסה של Vicker היה המוצע9. כניסה מיקרו בוצעה באמצעות indenter של Vicker כדי להפיק החריצים הרדיאלים. יתר על כן, שיטת קשיחות אוליבר פארס שבר nanoindentation בוצעה באמצעות קוביית חדה לפינה indenter10.
במחקרים לעיל nanoindentation המבוסס על שבר קשיחות, אורך הסדקים וכך נוצר נמדדו על ידי המתבונן, מודל ויצאקר שימש כדי לחשב את הקשיחות שבר. עם זאת, שיטות אלה הן irreproducible, סובייקטיבי, התוצאות הן תלויות במידה רבה מיומנות של הצופה בשל הצורך למדוד את אורך הסדק באמצעות מיקרוסקופ אופטי או מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. יתר על כן, שריטה הבדיקות נערכו ברמת הנאנו-, אך המודל המתמטי המשמש כבסיס אינו מבוסס פיזיקה כפי שהוא אינו חשבון להקטנת כוח עקב סדקים פגמים11. לפיכך, קיים פער הידע: שיטה להערכת שבר ברמה המיקרוסקופית מבוסס על מודל מכניסטית פיזיקה מבוסס. את הפער הזה של ידע שהניעו את היישום של בדיקות שריטה מיקרו קומפקטי העצם על ידי התמקדות תחילה דגימות חזירי5. המחקר עכשיו הוארך עוד יותר להבין את עצם קורטיקלית שור.
שתי נטיות שונות של דגימות אפשריים: רוחבי האורך וקצר האורך. רוחבי האורך מקביל שבר מאפיינים בניצב לציר האורך של עצם הירך. הואיל קצר האורך המתאים למאפיינים שבר לאורך ציר האורך של עצם הירך5. במחקר זה, אנו מיישמים בדיקות טיוטה לעצמות קורטיקלית שור לאפיון התנגדות שבר של העצם בכיוון האורך קצר.
Protocol
Representative Results
Discussion
בדיקות שריטה מיקרו לגרום מצב מעורב שבר3. יתר על כן, בדגימות האורך קצר בשתל קליפת העצם שקצרנו שור, תהליכי שבר מופעלים כמו החללית חופרת עמוק יותר. עבור שריטה ארוכה 3 מ מ, האחסון מנסרתיים שנבדק הוא בסביבות 3600 מיקרומטר ארוך, רחב 600 מיקרומטר ו 480 מיקרומטר עמוק. אחסון גדול זה עזר בחיזוי ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המחלקה של האזרחים, הנדסה סביבתית, המכללה האקדמית להנדסה-אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין. אנו להכיר את Kinra רבינדרה ואחווה Kinra משגכ שלףכחףגלכ לתמיכה את הלימודים לתואר שני של Kavya Mendu. סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים החקירה בוצעה במתקנים של פרדריק זייץ חומר במעבדת המחקר, מכון בקמן אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין.
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).
