JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

ملاحظة: البروتوكول هو موضح هنا، المبادئ التوجيهية الرعاية الحيوانية "لجنة الاستخدام" و "إلينوي، الرعاية المؤسسية على الحيوان".

1-نموذج المشتريات

  1. جمع قصبة البقري الطازج المقطوع من إدارة الولايات المتحدة مسلخ معتمد من قبل وزارة الزراعة الزراعة ونقلها في أكياس بلاستيكية الهواء ضيقة في برودة.
    ملاحظة: للدراسة التي أجريت هنا، جمعت قصبة من الحيوانات التي كانت 24-30 شهرا القديمة، والتي، ووزنه حوالي 1,000-1,100 جنيه استرليني.
  2. تجميد قصبة في –20 درجة مئوية حتى بدء إجراءات إعداد العينة. وتبقى درجة الحرارة هذه قصبة الطازجة12،،من1314.

2-قطع، والتنظيف، وتضمين العينات

  1. ذوبان الجليد في قصبة مجمدة في حاوية مع المياه لحوالي 2 ساعة في درجة حرارة الغرفة.
  2. قطع أقراص متعددة حوالي 10-15 مم من منطقة diaphysis منتصف باستخدام منشار باند الماس أعلى جدول لإنتاج العينات مع مساحة مقطعية موحدة للعظام القشرية.
  3. استخدام مجموعة أدوات تشريح لإزالة أي أنسجة لينة أو اللحم يعلق على العظام القشرية.
  4. وشهد قطع المقاطع العرضية لقصبة التي تم الحصول عليها في الخطوة 2.2 باستخدام شفرة وافيرينج الماس على سرعة منخفضة تحت ظروف رطبة على طول المحور الطولي للعظم للحصول على عدة مقاطع cuboidal تقريبا.
    ملاحظة: هنا، فقط إعداد العينة والصفر اختبارات أجريت على المدى القصير-وتناقش العينات الطولية. ومع ذلك، باستثناء اتجاه القطع، الإجراء إعداد لا يزال هو نفسه للتوجه عرضية.
  5. تنظيف العينات في التوصل إلى حل المعدة باستخدام 1.5% أنيونى النظيف والتبييض 5% لمدة 20 دقيقة في منظف الموجات فوق الصوتية.
  6. تضمين عينات العظام القشرية في راتنج اﻷكريليك (هنا بولي ميثاكريلات (البولي ميثيل ميثا اكريلات)) لسهولة المناولة والاستقرار.
    1. لتضمين العينات، أولاً معطف جدران القالب مع وكيل إصدار. ثم مزيج من راتنج اﻷكريليك ومقوي في كوب، وفقا للتعليمات المعطاة من قبل الشركة المصنعة للبولي ميثيل ميثا اكريلات.
    2. ضع واحدة من عينات العظام القشرية قطع في كل العفن مع السطح لتكون خدش تواجه أسفل. صب خليط راتنج اﻷكريليك إلى هذه إعداد أصحاب العينة. علاج العينات لمدة تصل إلى 4-5 س.
  7. قطع العينات مضمن إلى أقراص سميكة 5 مم، وتعريض السطح لتكون خدش، استخدام سرعة منخفضة شهد وجبل العينات إلى المعدن (الألمنيوم) أقراص قطرها 34 مم وارتفاع 5 ملم باستخدام مادة لاصقة cyanoacrylate.
  8. التفاف العينات في مقياس غارقة في هانكس متوازنة المالحة الحل (حبس) وفي الثلاجة عند درجة 4 مئوية حتى زيادة استخدام15،16.

3-الطحن والتلميع البروتوكولات

ملاحظة: شرطا مسبقاً لاختبار عالية الدقة في الموازين الصغيرة-طول سطح السلس والمجروفة العينات. السابقة لتلميع البروتوكولات13،17 تؤدي خشونة سطح كبيرة، مما يؤدي إلى عدم دقة كبيرة في القياس. ويكمن التحدي في تحقيق خشونة متوسط السطحية التي منخفض، أقل من 100 نانومتر، على سطح2 3 × 8 مم مساحة كبيرة.

  1. طحن العينات العظام القشرية البقري في درجة حرارة الغرفة استخدام حصى 400 والحصباء 600 كربيد السيليكون ورقات عن 1 دقيقة و 5 دقائق، على التوالي. الاحتفاظ طاحونة الملمع في الأساس بسرعة 100 دورة في الدقيقة و 150 دورة في الدقيقة، على التوالي.
  2. آلة طحن عينات العظام القشرية البقري في درجة حرارة الغرفة على أوراق حصى 800 و 1,200 لمدة 15 دقيقة لكل خطوة. الاحتفاظ طاحونة الملمع بسرعة قاعدة 150 لفة في الدقيقة، السرعة الرأس 60 لفة في الدقيقة، وتعمل تحميل من 1 رطل.
  3. البولندية العينات باستخدام 3 ميكرومتر و 1 ميكرومتر 0.25 ميكرومتر الماس تعليق الحلول بنفس الترتيب على قطعة من قماش الثابت، مثقبة، غير منسوجة لمدة 90 دقيقة في درجة حرارة الغرفة. الحفاظ على تحميل التشغيل لكل خطوة في 1 رطل مع سرعات الأساسي والرئيسي من الملمع في 300 دورة في الدقيقة، وفي الدقيقة 60، على التوالي.
  4. البولندية العينة استخدام 0.05 ميكرومتر الألومينا تعليق الحل على قطعة من قماش الحرير الناعمة، الاصطناعية لمدة 90 دقيقة في 1 رطل مع القاعدة والرأس بسرعة 100 دورة في الدقيقة، وفي الدقيقة 60، على التوالي، كما في درجة حرارة الغرفة.
  5. وضع العينات في كوب مع الماء المتأين الرفع ووضع في الكأس في حمام الموجات فوق الصوتية ل 2 دقيقة بين كل خطوة من خطوات متتالية الطحن والتلميع لتنظيف البقايا وتجنب التلوث المتبادل.
  6. عرض السمات السطحية باستخدام المجهر الضوئي والتصوير ووزارة شؤون المرأة.
    ملاحظة: كما هو مبين في الشكل 1، أوستيونس، هافيرسيان القنوات، وخطوط الأسمنت، المناطق المتداخلة، وثغرات لوحظت في عينات العظام القشرية الأبقار. وتكشف هذه أساليب التصوير الطبيعة المسامية وغير متجانسة، ومتباين من عينات العظام القشرية. بالإضافة إلى ذلك، أجرى فحص العينات السطحية متقدمة لتقييم نوعية سطح مصقول. ويرد على سطح مصقول ممثل في الشكل 2.

4-مايكرو الصفر الاختبار

ملاحظة: مايكرو الصفر هي الاختبارات على عينات العظام القشرية البقري مصقول استخدام اختبار الشحن الجزئي (الشكل 3). ويستخدم الماس indenter روكويل نصف قطرها 200 ميكرومتر وذروة زاوية ° 120 نصيحة للدراسة. الصك الذي يسمح تطبيق حمولة التدريجي الخطي ما يصل إلى 30 أ. وعلاوة على ذلك، مجهز بأجهزة استشعار عالية الدقة قياس حمولة أفقية وعمق الاختراق، والانبعاثات الصوتية التي تم إنشاؤها بسبب الخدش الصك. يمكن التقاط الصك الاستعراضات الأخاديد الصفر.

  1. قبل اختبار عينات العظام القشرية، معايرة تلميح indenter روكويل استخدام البولي كمرجع المواد3.
  2. ضع العينة العظام القشرية على المسرح واختيار موقع الاختبار الصفر باستخدام المجهر الضوئي إعداد متكامل للوحدة النمطية اختبار الصفر الصغير.
  3. تطبيق حمولة خطي تدريجي مع حمولة ابدأ من تحميل مينيسوتا ونهاية 30 من 30 أ. يجب تعيين معدل التحميل إلى 60 N/دقيقة وطول الصفر إلى 3 مم.
  4. إجراء سلسلة من اختبارات الصفر على القصير طولية (الشكل 3b) عينات العظام القشرية الأبقار كما هو موضح في الشكل 3.
  5. الرطب على سطح العينة مع هبس بعد مجموعة من كل ثلاثة أو أربعة الصفر الاختبارات للحفاظ عليها رطبة.
  6. تحليل بيانات الاختبار الصفر على أساس ميكانيكا الكسر غير الخطية نمذجة2.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

مجهر القوة الذرية استخدمت لقياس خشونة السطح المصقول. وكقاعدة عامة، يؤهل العينة كأحد مصقولة جيدا إذا خشونة السطح أمر من حجم أصغر من السمات السطحية للفائدة. في هذه الحالة، قياس خشونة السطح 60 شمال البحر الأبيض المتوسط على مساحة 40 ميكرومتر x 40 مكم وضوح يندرج ضمن هذا المعيار.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

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".

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Table Top Diamond Band SawMcMaster Carr, Elmhurst, ILModel  C-40Blade speed of 40 mph; Blade dimensions: 37 inch in diameter, 0.02 inch wide and 0.14 inch deep
Buehler Isomet 5000 Precision CutterBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044112780Blade speed in the range of 200-5000 rpm in 50 rpm incrments; 8 inch diamond wafering blade
Branson 5800 Ultrasonic Cleanser(Through) Grainger, Peoria, Illinois39J365Bransonic CPXH ultrasonic bath has a tank capacity of 2.5 gal
Buehler Ecomet 250 Grinder - PolisherBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 600444972508 inch base plate with a speed range from 10-500 rpm
Anton Paar, CSM Instruments Micro scratch testerAnton Paar Switzerland AG163251Compact Platform, Acoutstic Emission Sensor
JEOL 6060LV general purpose scanning electron microscopeJEOL USA, Inc., Peabody, MAEnvironmental scanning electron microscope which enables imaging at low vacuum levels.
Philips XL30 ESEM FEG FEI CompanyWet mode working of the instrument enables imaging of non conductive samples without altering them 
NameCompanyCatalog NumberComments
Consumables
Bovine FemurL&M Slaughter house, Georgetown, ILCorn fed, 24-30 month old mature bovine specimens.
Alconox Powdered Precision CleanerAlconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 106031104-1Biodegradable, Non caustic, Interfering-residue free
Acrylic Plastic CastingElectron Microscopy Sciences24210-02Polymethyl Methacrylate
CarbiMet SiC Abrasive Paper 400 grit, 8 inch, PSA backedBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080400Grinding - Abrasive Papers
CarbiMet SiC Abrasive Paper 600 grit, 8 inch, PSA backedBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080600Grinding - Abrasive Papers
MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backedBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004436080800Grinding - Abrasive Papers
MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backedBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004416081200Grinding - Abrasive Papers
Texmet P For 8'' Wheel PSABuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044407638Polishing Cloth
8'' Microcloth PSABuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044407518Polishing Cloth
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 3 µmBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044406631Polishing suspension
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 1 µmBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044406630Polishing suspension
Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 0.25 µmBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044406629Polishing suspension
MasterPrep Polishing Suspension, 0.05µmBuehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 6004440-6377-032Polishing suspension
HBSS, calcium, magnesium, no phenol redThermo Fisher Scientific14025126Buffer Solution

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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

129

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved