Evaluación de la fragilidad del hueso Cortical bovino utilizando pruebas de Scratch
Summary
Este estudio evalúa la resistencia a la fractura del hueso cortical bovino a nivel sub-meso mediante pruebas microscópicas de cero. Se trata de un original, objetivo, riguroso, y reproducible método propuesto para probar la resistencia a la fractura debajo de la escala macroscópica. Aplicaciones potenciales están estudiando cambios en la fragilidad del hueso debido a enfermedades como la osteoporosis.
Abstract
El hueso es un material complejo jerárquico con cinco niveles distintos de organización. Factores como el envejecimiento y las enfermedades como la osteoporosis aumentan la fragilidad del hueso, lo que es propensa a la fractura. Debido al gran impacto socio-económico de la fractura de hueso en nuestra sociedad, hay una necesidad de nuevas formas evaluar el desempeño mecánico de cada nivel jerárquico del hueso. Rigidez y la fuerza pueden ser sondeados en todas las escalas – nano – micro-, meso-, y macroscópico – evaluación de fractura ha hasta ahora se han limitado a pruebas macroscópicas. Esta limitación restringe nuestro entendimiento de la fractura de hueso y restringe el ámbito de laboratorio y estudios clínicos. En este estudio, investigamos la resistencia de la fractura del hueso de las microscópicas a las escalas de longitud mesoscópica usando las pruebas de scratch micro combinadas con la mecánica de fractura no lineal. Las pruebas se realizan en la orientación longitudinal corto en muestras de hueso cortical bovino. Se desarrolla un minucioso protocolo experimental y un número grande (102) de las pruebas se llevan a cabo para evaluar la resistencia a la fractura de las muestras de hueso cortical mientras que representa la heterogeneidad asociada a microestructura del hueso.
Introduction
En este estudio, medimos la resistencia a la fractura de hueso compacto bovino de la mesoescala (osteons) a microescala (nivel laminar) utilizando una nueva técnica de rayado micro1,2,3,4, 5. Procesos de fractura incluyendo iniciación y crack propagación de grieta en el hueso son directamente influenciados por escalas de la longitud debido a los diferentes componentes estructurales y organización en los diferentes niveles de jerarquía. Por lo tanto, evaluar la fractura de hueso en escalas más pequeñas de la longitud es esencial al rendimiento una comprensión fundamental de la fragilidad del hueso. Por un lado, compacto de pruebas convencionales como tres puntos de flexión, tensión y flexión las pruebas se realizan comúnmente en bovino fémur y la tibia para la caracterización de la fractura en la escala macroscópica6,7, 8. por otro lado, para medir la resistencia a la fractura en la escala microscópica, fractura de indentación de Vicker fue propuesta9. Micro sangría se realizó con penetrador de Vicker para generar grietas radiales. Además, el método de dureza de fractura de nanoindentación de Oliver Pharr se realizó mediante un fuerte cubo esquina penetrador10.
En los estudios mencionados de nanoindentación en fractura dureza, se midieron las longitudes de las grietas así generadas por el observador y se utilizó un modelo semi-empírico para calcular la resistencia a la fractura. Sin embargo, estos métodos son irreproducible, subjetiva y los resultados dependen mucho de la habilidad del observador debido a la necesidad de medir la longitud de grieta utilizando microscopia óptica o microscopia electrónica. Además, se realizaron pruebas de cero en la escala de nano, pero el modelo matemático subyacente no está basado en la física ya que no tiene en cuenta la reducción en la fuerza debido a grietas y defectos11. Por lo tanto, existe una brecha de conocimiento: un método para la evaluación de la fractura a nivel microscópico basado en un modelo mecanicista basado en la física. Esta brecha de conocimiento motivó la aplicación de micro arañazos pruebas para compactar hueso centrándose primero en especímenes porcinos5. El estudio ahora se ha extendido aún más entender hueso cortical bovino.
Dos orientaciones diferentes de las muestras son posibles: longitudinal transversal y corta longitudinal. Transversal longitudinal corresponde a propiedades perpendiculares al eje longitudinal del fémur la fractura. Mientras, corta longitudinal corresponde a las propiedades de fractura a lo largo del eje longitudinal del fémur5. En este estudio, aplicamos pruebas scratch bovino huesos corticales para caracterizar la resistencia de la fractura del hueso en la dirección longitudinal corto.
Protocol
Representative Results
Discussion
Micro pruebas scratch inducir una fractura de modo mixto3. Además, en las muestras de hueso cortical bovino longitudinal corto, se activan procesos de fractura como la sonda excava más profundo. Para un arañazo largo 3 mm, el volumen prismático sondeado es alrededor de 3.600 μm de largo, ancho 600 μm y μm 480 profundo. Este gran volumen ayudó a predecir una respuesta homogeneizada. Un modelo de mecánica de fractura no lineal nos permitió extraer la resistencia de la fractura basada en el…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Civil e ingeniería ambiental y la Facultad de ingeniería en Universidad de Illinois en Urbana Champaign. Reconocemos la Ravindra Kinra y Kavita Kinra beca para apoyar los estudios de posgrado de Kavya Mendu. Investigación de microscopia electrónica de barrido se realizó en las instalaciones del laboratorio de investigación de Material de Frederick Seitz e Instituto Beckman de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign.
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).
