Le travail effectué pour développer ce protocole a été soutenu par les National Institutes of Health [AR072609].

Principes et protocoles d’essais mécaniques pour la susceptibilité à la fracture osseuse

<ol>
	<li>Vesper, E. O., Hammond, M. A., Allen, M. R., Wallace, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Even+with+rehydration,+preservation+in+ethanol+influences+the+mechanical+properties+of+bone+and+how+bone+responds+to+experimental+manipulation.">Even with rehydration, preservation in ethanol influences the mechanical properties of bone and how bone responds to experimental manipulation.</a> Bone. 97, 49-53 (2017).</li><li>Jepsen, K. J., Silva, M. J., Vashishth, D., Guo, X. E., van der Meulen, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Establishing+biomechanical+mechanisms+in+mouse+models:+practical+guidelines+for+systematically+evaluating+phenotypic+changes+in+the+diaphyses+of+long+bones.">Establishing biomechanical mechanisms in mouse models: practical guidelines for systematically evaluating phenotypic changes in the diaphyses of long bones.</a> Journal of Bone and Mineral Research. 30 (6), 951-966 (2015).</li><li>Eds Burr, D. B., Allen, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Basic and Applied Bone Biology. , (2019).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> microCT SkyScan 1272 User Manual. , (2018).</li><li>Kim, Y., Brodt, M. D., Tang, S. Y., Silva, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MicroCT+for+scanning+and+analysis+of+mouse+bones.">MicroCT for scanning and analysis of mouse bones.</a> Methods in Molecular Biology. 2230, 169-198 (2021).</li><li>Bouxsein, M. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Guidelines+for+assessment+of+bone+microstructure+in+rodents+using+micro-computed+tomography.">Guidelines for assessment of bone microstructure in rodents using micro-computed tomography.</a> Journal of Bone and Mineral Research. 25 (7), 1468-1486 (2010).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Micro-CT specimen scanner, Centre for high-throughput phenogenomics. , (2023).</li><li>ASTM International. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Standard test method for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials by four-point bending. , (2020).</li><li>ASTM International. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. , (2017).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bruker+microCT+NRecon:+An+overview.">Bruker microCT NRecon: An overview.</a> , (2023).</li></ol>

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.

Tout au long du processus d’analyse et de test, il y a des moments où le dépannage et l’optimisation sont appropriés. Le premier d’entre eux se produit lors de la numérisation des os à l’aide de μCT. Alors que de nombreux systèmes sont livrés avec un support dans lequel un objet peut être tenu et scanné, des supports personnalisés peuvent être fabriqués pour numériser plusieurs os en même temps. L’analyse de plusieurs os peut être un excellent point d’optimisation, mais des précautions doiven...

L’analyse mécanique de l’os est la principale méthode pour extraire des informations fonctionnelles liées à la susceptibilité d’un os à la fracture. Dans les études précliniques, plusieurs modalités de test peuvent être utilisées, mais la plus courante est de loin la flexion des os longs. Ces tests sont faciles à réaliser et peuvent être utilisés sur des os dont la taille varie de l’homme à la souris. La souris étant l’un des animaux les plus étudiés dans la recherche préclinique, ce protocole se concentrera sur les tests de flexion effectués sur les fémurs et les tibias des souris.
Avant d’effectuer des tests de flexion, les os doivent être correctement récoltés et stockés. Les méthodes de stockage les plus courantes ont traditionnellement été la congélation des os dans de la gaze imbibée de solution saline, la congélation dans une solution saline seule ou la déshydratation des os dans de l’éthanol 1. Il a été démontré que les os stockés dans l’éthanol ont une rigidité et un module d’élasticité accrus et des paramètres de déformation diminués par rapport à ceux stockés congelés1. Même la réhydratation des os avant le test ne permet pas de retrouver ces propriétés à des niveaux normaux 1. L’entreposage immergé dans une solution saline pourrait endommager l’os, car la pression est exercée lorsque la solution saline se dilate. De plus, une décongélation complète de la solution serait nécessaire pour prélever les os en vue d’une microtomodensitométrie (μCT). Par conséquent, la congélation des os fraîchement récoltés dans de la gaze imbibée de solution saline est devenue la méthode de stockage standard et est recommandée tout au long de ce protocole.
Étant donné que la taille et la forme d’un os affectent sa force apparente et que de nombreux modèles de maladies modifient considérablement la taille et la morphologie des os, les principes d’ingénierie sont utilisés pour normaliser les effets de la taille afin de produire des propriétés qui estiment le comportement du tissu2. Cette approche nécessite une géométrie en coupe transversale de l’emplacement de la défaillance, qui est le plus souvent acquise à l’aide de μCT pour créer des scans des os avant les tests. Le μCT est largement utilisé en raison de sa disponibilité et de sa haute résolution d’image. De plus, les apports de tissus mous ne sont pas inclus, et la scintigraphie ne nécessite pas de fixation chimique ou d’autres modifications de l’os 3,4. Dans toutes les formes de tomodensitométrie, une source de rayons X est focalisée sur un objet tandis qu’un détecteur situé de l’autre côté de l’objet mesure l’énergie des rayons X qui en résulte. Cela produit une ombre radiographique de l’échantillon qui peut être convertie en une image 3,5. L’objet scanné est tourné (ou la source de rayons X et le détecteur sont tournés autour de l’échantillon), générant des images qui peuvent être reconstruites en un ensemble de données tridimensionnelles représentant l’objet5.
La résolution de numérisation, c’est-à-dire la proximité entre deux objets et pouvant être résolus individuellement, est contrôlée en modifiant la taille nominale du voxel ou la taille d’un pixel dans l’image résultante. Il est généralement admis que les objets doivent être au moins deux fois plus grands qu’un seul voxel pour être identifiés3, mais un rapport plus élevé permettra d’améliorer la précision. De plus, les voxels plus grands sont plus sujets aux effets de volume partiel : lorsqu’un seul voxel contient des tissus de densités variables, on lui attribue la moyenne de ces densités, plutôt que la densité spécifique d’un seul tissu, ce qui peut conduire à une surestimation ou à une sous-estimation des surfaces tissulaires et de la densité minérale3. Bien que ces problèmes puissent être atténués en choisissant des tailles de voxel plus petites, l’utilisation d’une résolution plus élevée ne garantit pas l’élimination des effets de volume partiels et peut nécessiter des temps de balayage plus longs3. Lors de la scintigraphie des os ex vivo, une taille de voxel de 6 à 10 μm est généralement recommandée pour évaluer avec précision l’architecture trabéculaire des os de souris. Une taille de voxel plus grande de 10 à 17 μm peut être utilisée pour l’os cortical, bien que la plus petite taille de voxel raisonnable doive être utilisée. Ce protocole utilise une taille de voxel de 10 μm, ce qui est suffisamment petit pour différencier les principales propriétés trabéculaires et minimiser les effets de volume partiels sans temps de balayage prolongé.
Les réglages de l’énergie des rayons X et du filtre d’énergie doivent également être sélectionnés avec soin, car la densité minérale et l’épaisseur élevées du tissu osseux atténuent et modifient considérablement le spectre d’énergie des rayons X transmis. Il est généralement admis que, parce que le spectre des rayons X émis est équivalent au spectre qui sort de l’objet6, l’utilisation de rayons X de faible énergie sur des objets denses tels que les os peut conduire à un artefact connu sous le nom de durcissement du faisceau7. Une tension plus élevée de 50 à 70 kVc est recommandée lors de l’analyse des échantillons d’os afin de réduire l’incidence de ces artefacts5. De plus, l’insertion d’un filtre d’énergie en aluminium ou en cuivre crée un faisceau d’énergie plus concentré, minimisant davantage les artefacts 4,7. Un filtre en aluminium de 0,5 mm sera utilisé tout au long de ce protocole.
Enfin, l’étape de rotation de la numérisation et la longueur de rotation (par exemple, 180°-360°) contrôlent ensemble le nombre d’images capturées, ce qui détermine la quantité de bruit dans la numérisation finale4. La moyenne de plusieurs images à chaque étape peut réduire le bruit, mais peut augmenter le temps de numérisation4. Ce protocole utilise un pas de rotation de 0,7 degré et une moyenne de 2 degrés.
Une dernière remarque à propos de la numérisation : les fantômes d’étalonnage de l’hydroxyapatite doivent être scannés en utilisant les mêmes paramètres de balayage que les os expérimentaux pour permettre la conversion des coefficients d’atténuation en densité minérale en g/cm35. Ce protocole utilise des fantômes de 0,25 g/cm 3 et 0,75 g/cm3 d’hydroxyapatite, bien que différents fantômes soient disponibles. Notez que certains systèmes de balayage utilisent des fantômes internes dans le cadre de l’étalonnage quotidien du système.
Une fois le balayage terminé, les projections angulaires sont reconstruites en images en coupe transversale de l’objet, généralement à l’aide du logiciel d’accompagnement du fabricant. Quel que soit le système utilisé, il est important de s’assurer que l’os entier est capturé dans la reconstruction et que le seuil est défini de manière appropriée pour permettre la reconnaissance de l’os par rapport au non-os. Après la reconstruction, il est essentiel de faire pivoter tous les scans en trois dimensions afin que les os soient orientés de manière cohérente et correctement alignés avec l’axe transversal, toujours à l’aide du logiciel du fabricant.
Après la rotation, les régions d’intérêt (ROI) pour l’analyse peuvent être sélectionnées selon que les propriétés corticales, les propriétés trabéculaires ou la géométrie de la fracture pour la normalisation mécanique sont souhaitées. Dans ce dernier cas, les ROI doivent être sélectionnés après le test en mesurant la distance entre le site de fracture et une extrémité de l’os et en utilisant la taille du voxel pour déterminer l’emplacement de la tranche correspondante dans le fichier de numérisation. La région sélectionnée doit avoir une longueur d’au moins 100 μm, avec le point de fracture au centre approximatif du ROI, pour fournir une estimation adéquate4.
Lorsque les retours sur investissement sont sélectionnés, deux propriétés sont nécessaires pour la normalisation mécanique (pour calculer la contrainte de flexion et la déformation) : la distance maximale entre l’axe de flexion neutre et la surface où la rupture est initiée (supposée être la surface chargée en tension, déterminée par la configuration d’essai) et le moment d’inertie de la zone autour de l’axe neutre (également en fonction de la configuration d’essai). Ce protocole recommande l’utilisation d’un code personnalisé pour déterminer ces valeurs. Pour accéder au code, contactez directement l’auteur correspondant ou visitez le site Web du laboratoire à l’adresse https://bbml.et.iupui.edu/ pour plus d’informations.
Une fois la tomodensitométrie terminée, les essais mécaniques peuvent commencer. Les essais de flexion peuvent être effectués dans des configurations à quatre ou trois points. Les essais de flexion en quatre points sont préférés car ils éliminent la contrainte de cisaillement dans l’os entre les points de charge, ce qui permet une flexion pure dans cette région3. L’os va alors se fracturer sous l’effet de la tension, créant une défaillance plus représentative des véritables propriétés de flexion de l’os3. Cependant, l’os doit être chargé de manière à fournir la même charge aux deux points de chargement (cela peut être facilité par une tête de chargement pivotante). Dans les essais de flexion en trois points, il y a un grand changement de contrainte de cisaillement à l’endroit où le point de charge rencontre l’os, ce qui provoque la rupture de l’os à ce stade en raison du cisaillement et non de la tension3. Les normes ASTM recommandent que les matériaux soumis à la flexion aient un rapport longueur/largeur de 16 :1, ce qui signifie que la longueur de la portée du support doit être 16 fois plus grande que la largeur de l’os pour minimiser les impacts du cisaillement 8,9. Ceci est souvent impossible à réaliser lors de l’essai de petits os de rongeurs, de sorte que la portée de chargement est simplement rendue aussi grande que possible, mais avec un changement de forme de section aussi faible que possible. De plus, lors de la flexion à quatre points, le rapport entre les longueurs de l’envergure inférieure et supérieure doit être de ~3 :18, ce qui peut généralement être réalisé dans le tibia, mais c’est difficile dans le fémur plus court. De plus, les parois corticales plus minces des fémurs les rendent sensibles à la déformation de type anneau qui modifie la forme de la section transversale osseuse pendant le test (cela peut être accentué dans les tests à quatre points car une force plus importante est nécessaire pour induire le même moment de flexion par rapport à la flexion à trois points). Par conséquent, la flexion en trois points sera utilisée pour les fémurs de souris, tandis que la flexion en quatre points sera utilisée pour les tibias tout au long de ce protocole.
Enfin, il est important d’alimenter correctement l’étude pour l’analyse statistique. Une recommandation générale pour les essais mécaniques est d’avoir une taille d’échantillon de 10 à 12 os par groupe expérimental pour être en mesure de détecter les différences, car certaines propriétés mécaniques, en particulier les paramètres post-rendement, peuvent être très variables. Dans certains cas, cela peut signifier commencer avec un échantillon d’animaux de plus grande taille compte tenu de l’attrition qui pourrait se produire au cours de l’étude. L’analyse de la taille de l’échantillon à l’aide des données existantes doit être effectuée avant de tenter une étude.
Il existe de nombreuses limites et hypothèses, mais les tests de flexion peuvent fournir des résultats assez précis, en particulier lorsque les différences relatives entre les groupes sont intéressantes. Ces propriétés, ainsi que l’analyse de l’architecture trabéculaire et de la morphologie corticale, peuvent fournir un meilleur aperçu des états pathologiques et des schémas thérapeutiques. Si l’on prend soin des aspects de l’expérience qui sont sous notre contrôle (par exemple, la récolte, le stockage, la numérisation et les tests), nous pouvons être sûrs que des résultats précis ont été générés.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>CTAn</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>NA</td>
			<td>CT Scan Analysis Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DataViewer</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>NA</td>
			<td>CT Scan Rotation Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matrix Laboratory (MATLAB) 2023a</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>NA</td>
			<td>Coding platform used for data analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NRecon</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>NA</td>
			<td>CT Scan Reconstruction software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SKYSCAN 1272-100 kV w/ 16 MP CCD detector, incl 3D Suite Software&#160;&#160;</td>
			<td>Micro Photonics Inc</td>
			<td>SKY-016814</td>
			<td>Micro-CT system that can non-destructively visualize up to 209 mPs in every virtual slice through an object&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

practical considerations for the design, execution, and interpretation of studies involving whole-bone bending tests of rodent bones

La fragilité squelettique conduisant à la fracture est une crise de santé publique américaine qui entraîne 1,5 million de fractures chaque année et 18 milliards de dollars en coûts directs de soins. La capacité de comprendre les mécanismes sous-jacents à la maladie osseuse et la réponse au traitement est non seulement souhaitée, mais essentielle. L’analyse mécanique de l’os est une technique précieuse pour comprendre et quantifier la susceptibilité d’un os à la fracture. Bien que cette méthode semble simple à mettre en œuvre, des conclusions inappropriées et inexactes peuvent être tirées si les hypothèses et les étapes clés ne sont pas prises en compte par l’utilisateur. Cela a été observé dans toutes les disciplines, car les études continuent d’être publiées avec une mauvaise utilisation des méthodes et une interprétation incorrecte des résultats. Ce protocole servira d’introduction aux principes associés aux essais mécaniques ainsi qu’à l’application de ces techniques, depuis les considérations relatives à la taille de l’échantillon jusqu’à l’analyse et l’interprétation des données, en passant par le prélèvement et l’entreposage des tissus. Avec cela à l’appui, il est possible d’obtenir des informations précieuses sur la susceptibilité d’un os à la fracture, ce qui permet de mieux comprendre les résultats de la recherche universitaire et des solutions cliniques.

Mechanical testing of bone is the primary method to extract functional information related to a bone&#39;s susceptibility to fracture. In preclinical studies, several testing modalities can be used but by far the most common is the bending of long bones. These tests are easy to perform and can be used on bones ranging in size from human to mouse. As mice are one of the most commonly studied animals in preclinical research, this protocol will focus on bending tests performed on the femora and tibiae of mice.
Prior to performing bending tests, bones must be properly harvested and stored. The most common storage methods have traditionally been freezing bones in saline-soaked gauze, freezing in saline alone, or dehydrating bones in ethanol 1. Bones stored in ethanol have been shown to have increased stiffness and elastic modulus and decreased deformation parameters versus those stored frozen1. Even rehydrating the bones prior to testing does not recover these properties back to normal levels 1. Storing submerged in saline could cause damage to the bone since pressure is exerted as the saline expands. In addition, a complete thaw of the solution would be required to remove the bones for microcomputed tomography (&#181;CT) scanning. Consequently, freezing freshly harvested bones in saline-soaked gauze has become the standard storage method and is recommended throughout this protocol.
Because the size and shape of a bone affect its bulk strength and many disease models significantly alter bone size and morphology, engineering principles are used to normalize away the effects of size to produce properties that estimate the behavior of the tissue2. This approach requires cross-sectional geometry of the failure location, which is most commonly acquired using &#181;CT to create scans of the bones prior to testing. &#181;CT is widely used due to its availability and high image resolution. Moreover, contributions of soft tissue are not included, and scanning does not require chemical fixation or other modifications to the bone3,4. In all forms of CT, an X-ray source is focused on an object while a detector on the other side of the object measures the resulting X-ray energy. This produces an X-ray shadow of the sample that can be converted into an image3,5. The object being scanned is rotated (or the X-ray source and detector are rotated around the sample), generating images that can be reconstructed into a three-dimensional data set representing the object5.
Scan resolution, or how close together two objects can be and still be resolved individually, is controlled by changing the nominal voxel size or the size of a pixel in the resulting image. It is generally accepted that objects must be at least two times the size of a single voxel to be identified3, but a higher ratio will allow for improved precision. Further, larger voxels are more prone to partial volume effects: when a single voxel contains tissues of varying densities, it is assigned the average of these densities, rather than the specific density of a single tissue, which may lead to an over- or under-estimation of tissue areas and mineral density3. While these issues can be mitigated by choosing smaller voxel sizes, using a higher resolution does not ensure the elimination of partial volume effects and may require longer scan times3. When scanning bones ex vivo, a voxel size of 6-10 &#181;m is generally recommended to accurately assess the trabecular architecture of mouse bones. A larger voxel size of 10-17 &#181;m can be used for cortical bone, although the smallest reasonable voxel size should be used. This protocol uses a 10 &#181;m voxel size, which is small enough to differentiate key trabecular properties and minimize partial volume effects without extensive scan time.
X-ray energy and energy filter settings must also be selected carefully, as the high mineral density and thickness of bone tissue greatly attenuates and alters the transmitted X-ray energy spectrum. It is generally assumed that because the emitted X-ray spectrum is equivalent to the spectrum that exits the object6, using low-energy X-rays on dense objects such as bone can lead to an artifact known as beam hardening7. A higher voltage of 50-70 kVp is recommended when scanning bone samples to reduce the incidence of these artifacts5. In addition, inserting an aluminum or copper energy filter creates a more concentrated energy beam, further minimizing artifacts4,7. A 0.5 mm aluminum filter will be used throughout this protocol.
Finally, the scan rotation step and rotation length (e.g., 180&#176;-360&#176;), together control the number of images captured, which determines the amount of noise in the final scan4. Averaging multiple frames in each step can reduce noise but may increase scan time4. This protocol uses a rotation step of 0.7 degrees and a frame averaging of 2.
One final note about scanning: hydroxyapatite calibration phantoms should be scanned using the same scan settings as the experimental bones to enable the conversion of attenuation coefficients to mineral density in g/cm35. This protocol uses phantoms of 0.25 g/cm3 and 0.75 g/cm3 of hydroxyapatite, although different phantoms are available. Note that some scanning systems use internal phantoms as part of daily system calibration.
Once scanning is complete, the angular projections are reconstructed into cross-sectional images of the object, typically using the manufacturer&#39;s accompanying software. Whatever system is used, it is important to ensure that the whole bone is captured in the reconstruction and that thresholding is set appropriately to allow for the recognition of bone versus non-bone. After reconstruction, it is critical to rotate all scans in three dimensions so that bones are oriented consistently and properly aligned with the transverse axis, again using the manufacturer&#39;s software.
Following rotation, regions of interest (ROI) for analysis may be selected based on whether cortical properties, trabecular properties, or fracture geometry for mechanical normalization are desired. For the latter, ROIs should be selected after testing by measuring the distance from the fracture site to one end of the bone and using voxel size to determine the corresponding slice location in the scan file. The selected region should be at least 100 &#181;m in length, with the fracture point at the approximate center of the ROI, to provide adequate estimation4.
With ROIs selected, two properties are needed for mechanical normalization (to calculate bending stress and strain): the maximum distance from the neutral bending axis to the surface where failure is initiated (assumed to be the surface loaded in tension, determined by the testing setup), and the area moment of inertia around the neutral axis, (also dependent on testing setup). This protocol recommends the use of a custom code to determine these values. For access to the code, contact the corresponding author directly or visit the lab website at&#160;https://bbml.et.iupui.edu/ for more information.
Once &#181;CT scanning has been completed, mechanical testing can begin. Bending tests can be performed in either four-point or three-point configurations. Four-point bending tests are preferred as they eliminate shear stress in the bone between loading points, allowing for pure bending to occur in this region3. The bone will then fracture due to tension, creating a failure that is more representative of the true bending properties of the bone3. However, the bone must be loaded in such a way as to deliver the same load at both loading points (this can be facilitated with a pivoting loading head). In three-point bending tests, there is a large change in shear stress where the load point meets the bone, which causes the bone to break at this point due to shear, not tension3. ASTM standards recommend materials undergoing bending should have a length-to-width ratio of 16:1, meaning the length of the support span should be 16 times larger than the width of the bone to minimize impacts of shear8,9. This is often impossible to achieve when testing small rodent bones, so the loading span is simply made as large as possible but with as small of a change in cross-sectional shape as possible. Moreover, when performing four-point bending, the ratio between the lengths of the lower and upper span should be ~3:18, which can usually be achieved in the tibia, but it is difficult in the shorter femur. In addition, the thinner cortical walls of femurs make them susceptible to ring-type deformation which changes the shape of the bone cross-section during the test (this can be accentuated in four-point tests as a greater force is required to induce the same bending moment compared to three-point bending). Therefore, three-point bending will be utilized for mouse femora while four-point bending will be used for tibiae throughout this protocol.
Finally, it is important to properly power the study for statistical analysis. A general recommendation for mechanical testing is to have a sample size of 10-12 bones per experimental group to be able to detect differences, as some mechanical properties, especially postyield parameters, can be highly variable. In some cases, this may mean starting with a higher animal sample size given attrition that could occur during the study. Sample size analysis using existing data should be completed prior to attempting a study.
There are numerous limitations and assumptions, but bending tests can provide quite accurate results, especially when relative differences between groups are of interest. These properties, together with the analysis of trabecular architecture and cortical morphology, can provide better insight into disease states and treatment regimens. If care is taken with those aspects of the experiment that are in our control (e.g., harvesting, storing, scanning, and testing), we can feel confident that accurate results have been generated.

Pleins feux sur l’auteur : Améliorer la précision et la reproductibilité des essais de flexion de l’os entier 

Considérations pratiques pour la conception, l’exécution et l’interprétation d’études portant sur des essais de flexion d’os de rongeurs sur des os entiers

The current experimental challenges of bending tests include:Consistent placing of the bones in the same orientation, documenting the break progress of the bone during the test, and interpretation of complex results. Our protocol provides a guide not only for the testing procedure and data analysis for whole-bone bending tests, but also for sample preparation and storage. And this is the first instance where the entire protocol has been presented.Whole-bone mechanical testing is a quick and simple method to obtain measures of bone fracture susceptibility when compared to other testing methods.

À la fin de la tomodensitométrie, la plupart des examens inadéquats peuvent être détectés lors de la reconstruction. Souvent, les mauvais scans auront une compensation de désalignement élevée qui est un indicateur clair d’une erreur pendant le scan. Cependant, des erreurs peuvent se produire dans d’autres étapes et peuvent également conduire à des données inexactes. Ces erreurs peuvent souvent être repérées lors de l’examen des propriétés architecturales calculées individuellement. Si les valeurs...

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L’analyse mécanique des os de rongeurs est une méthode précieuse pour extraire des informations sur la susceptibilité d’un os à se fracturer. En l’absence d’une bonne compréhension pratique, les résultats peuvent être surinterprétés ou manquer de validité. Ce protocole servira de guide pour s’assurer que les essais mécaniques sont effectués avec précision afin de fournir des données valides et fonctionnelles.

Skeletal fragility leading to fracture is an American public health crisis resulting in 1.5 million fractures each year and $18 billion in direct care ...

Les défis expérimentaux actuels des essais de flexion comprennent :Placer systématiquement les os dans la même orientation, documenter la progression de la rupture de l’os pendant l’essai et interpréter des résultats complexes. Notre protocole fournit un guide non seulement pour la procédure de test et l’analyse des données pour les tests de flexion de l’os entier, mais aussi pour la préparation et le stockage des échantillons. Et c’est la première fois que l’ensemble du protocole est présenté.L’analyse mécanique de l’os entier est une méthode simple et rapide pour obtenir des mesures de la susceptibilité aux fractures osseuses par rapport à d’autres méthodes d’analyse.

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

Practical Considerations for the Design, Execution, and Interpretation of Studies Involving Whole-Bone Bending Tests of Rodent Bones

581 vues.  Indiana University-Purdue University Indianapolis. Les défis expérimentaux actuels des essais de flexion comprennent :Placer systématiquement les os dans la même orientation, documenter la progression de la rupture de l’os pendant l’essai et interpréter des résultats complexes. Notre protocole fournit un guide non seulement pour la procédure de test et l’analyse des données pour les tests de flexion de l’os entier, mais aussi pour la préparation et le stockage des échantillons. Et c’est la première fois que l’ensemble ...

Vidéo: Pleins feux sur l’auteur : Améliorer la précision et la reproductibilité des essais de flexion de l’os entier 

Skeletal fragility leading to fracture is an American public health crisis resulting in 1.5 million fractures each year and $18 billion in direct care costs. The ability to understand the mechanisms underlying bone disease and the response to treatment is not only desired, but critical. Mechanical testing of bone serves as a valuable technique for understanding and quantifying a bone&#39;s susceptibility to fracture. While this method appears simple to perform, inappropriate and inaccurate conclusions may be reached if governing assumptions and key steps are disregarded by the user. This has been observed across disciplines as studies continue to be published with misuse of methods and incorrect interpretation of results. This protocol will serve as a primer for the principles associated with mechanical testing along with the application of these techniques-from considerations of sample size through tissue harvesting and storage, to data analysis and interpretation. With this in hand, valuable information regarding a bone&#39;s susceptibility to fracture may be obtained, furthering understanding for both academic research and clinical solutions.

Mechanical testing of rodent bones is a valuable method for extracting information regarding a bone's susceptibility to fracture. Lacking proper practical understanding, the results may be overinterpreted or lack validity. This protocol will serve as a guide to ensure mechanical tests are performed accurately to provide valid and functional data.

Recherche

Bio-ingénierie

Mechanical Testing Procedure to Check Bone&#39;s Susceptibility to Fracture

Mechanical Testing Procedure to Check Bone&#039;s Susceptibility to Fracture  

After harvesting the femur and tibia from the euthanized mouse, obtain a six to 10 micrometer resolution micro CT scan reconstructed for each sample to calculate for exercise geometry. Thaw all the bones for testing, and ensure to test all bones from the same experiment in one session. Now locate a load cell with sensitivity and capacity suitable for the specimen.Considering the failure range of the specimen, select a load cell with 50%more capacity while maximizing sensitivity. Locate the loading and support span fixtures. Install the load cell and fixtures by screwing the load cell onto the upper support of the tester, attaching the upper loading fixture to the load cell and mounting the lower fixture to the bottom support of the tester.Then select a support span length, which will remain constant for all samples. Use the shortest bone in the sample set to determine the support span distance, and properly orient the bone between the fixtures. To perform a three-point bending test of the femur.place the anterior surface of the bone against the support span, ensuring the position is within the diaphysis of the sample. Exclude the third trochanter on the proximal end and the transition point where the bone widens into the metaphysis and condyles on the distal end. Ensure the loading span is centered within the support span and contains a uniform region of the bone.Then measure and record the support span distance. Once the support span has been set and recorded, bring the lower fixture close to the upper fixture with enough room between the two for a bone to be placed. Place the bone back into saline or rehydrated with a saline bolus.Ensure all fixture parts are tight and free of movement. In the mechanical tester software, design a bending test profile with a slow displacement ramp rate to avoid viscoelastic effects to load the bone until it fails. After creating a testing profile, create distinct folders for every study group.Select a properly thawed bone, then measure and record its full length using calipers. Load the bone sample onto the fixture in the proper orientation. Alter the file name to reflect the particulars of the sample being tested and save each test in its corresponding folder.Zero the load and activate the system's mover, ensuring it's not in load or displacement control. Carefully apply a slight preload to the bone to secure its position. Avoid compromising the sample.Aim for a preload of about 0.25 Newtons. Make sure the desired bone orientation is kept consistent before moving forward. Hydrate the sample by generously dousing it with saline.On the software, initiate the bending test by selecting start or run. It's crucial to observe the sample for the duration of the test accurately, noting down any occurrences of issues. Monitor closely as the bone starts to fracture.Tests stop automatically when they reach their set limits. But if there's a failure, stop the test manually to avoid damaging the load cell. Once testing is complete, measure the length from the distal end to the breakpoint using calipers and record it.