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 מיקרו^{1,2,3,4, 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 מאקרוסקופית^{6,7, 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

הערה: הפרוטוקול המתואר כאן, מנחים את טיפול בבעלי חיים של אילינוי מוסדיים חיה הדאגה שימוש הוועדה.

1. דגימה רכש

1. לאסוף עצמות הירך שור שנקטפו זה עתה ארצות הברית מחלקת החקלאות-מוסמך בית מטבחיים ולהעביר אותם בשקיות פלסטיק אוויר חזק בתוך צידנית.
   הערה: לצורך המחקר שנערך כאן, עצמות הירך נאספו מחיות שהיו 24-30 חודשים זקן, איך קראו לו, שנשקל כ- 1000 - 1100 ק ג.
2. להקפיא את עצמות הירך ב- –20 ° C עד תחילת ההליך הכנה הדגימה. טמפרטורה זו שומרת את עצמות הירך טריים^12,13,14.

2. חיתוך, ניקוי, הטבעה דגימות

1. להפשיר את עצמות הירך קפוא במיכל עם מים במשך כ 2 h בטמפרטורת החדר.
2. חותכים מרובות דיסקים בערך 10-15 מ"מ עובי מאזור diaphysis אמצע בעזרת הלהקה יהלום העליון ודוקטור לייצר דגימות בשטח חתך אחיד של עצם קורטיקלית.
3. להשתמש ערכת לנתיחה כדי להסיר כל רקמות רכות או בשר המצורפת עצם קורטיקלית.
4. גזור חתכי רוחב של עצמות הירך שהושג בשלב 2.2 בעזרת סכין יהלום-wafering על מהירות נמוכה ראיתי בתנאים רטובים לאורך ציר האורך של העצם כדי לקבל מספר מקטעים cuboidal בערך.
   הערה: כאן, רק הכנה הדגימה, שריטה ניסויי על הקצר – דגימות האורך הנדונים. עם זאת, מלבד הכיוון של חיתוך, בהליך הכנה נשאר זהה עבור כיוון הדפסה לרוחב.
5. לנקות את דגימות פתרון המוכנים 1.5% anionic מנקה, אקונומיקה 5% עבור משך זמן של 20 דקות בניקוי אולטראסוני.
6. להטביע את דגימות קליפת העצם שקצרנו שרף אקרילי (בזאת polymethyl methacrylate (PMMA)) כדי להקל על שליטה ויציבות.
   1. כדי להטביע את דגימות, תחילה מעיל הקירות של העובש עם סוכן שחרור. ואז מערבבים את שרף אקרילי ואת במינראליים בגביע, לפי ההוראות שניתנו על ידי היצרן PMMA.
   2. מניחים אחד מהדוגמאות לחתוך עצם קורטיקלית כל עובש עם השטח כדי להתגרד פונה כלפי מטה. יוצקים את תערובת שרף אקרילי הללו מוכנים מחזיקי הדגימה. לתת דגימות תרופה עבור משך זמן של עד 4-5 שעות.
7. לחתוך את דגימות מוטבע לתוך דיסקים בעובי 5 מ מ, חשיפת פני השטח כדי להיות שרוט, באמצעות המהירות נמוכה ראה והר דגימות על מתכת (אלומיניום) דיסקים של קוטר 34 מ מ, גובה 5 מ מ בעזרת דבק מגע דבק.
8. עוטף את דגימות לאמוד ספוג ב הנקס מאוזנת מלוחים פתרון (HBSS), ומעבירים ב 4 ° C עד נוסף לשימוש^15,16.

3. השחזה וליטוש פרוטוקולים

הערה: מהווה דרישה מוקדמת דיוק גבוהה בדיקות-פיסיקליות קטן הוא משטח חלק, המכוון של דגימות. הקודם ליטוש פרוטוקולים^13,17 לגרום חספוס פני שטח גדול, שמוביל ניכר חוסר דיוק במדידה. האתגר טמון להשגת נמוך הממוצע חספוס בפני השטח, פחות מ- 100 ננומטר, על פני שטח גדול 3 x 8 מ מ² משטח.

1. לטחון את דגימות שור קליפת העצם שקצרנו בטמפרטורת החדר באמצעות 400 חצץ וניירות 600 חצץ סיליקון קרביד 1 דקות, 5 דקות, בהתאמה. לשמור על מטחנת-לטש במהירויות הבסיס של 100 סל"ד ו- 150 סל ד, בהתאמה.
2. מכונת לטחון את דגימות שור קליפת העצם שקצרנו בטמפרטורת החדר בכותרות העיתונים חצץ 800 ל 1200 עבור משך זמן של 15 דקות עבור כל שלב. לשמור על מטחנת-לטש במהירות הבסיס של 150 סל ד, ראש מהירות של 60 סל ד, והפעלת עומס של 1 ק ג.
3. פולנית דגימות באמצעות מיקרומטר 3, 1 מיקרומטר ופתרונות 0.25 מיקרומטר יהלום ההשעיה באותו סדר על בד קשה, מחורר, ארוגים עבור משך זמן של 90 דקות כל בטמפרטורת החדר. שמור על העומס הפעלה עבור כל שלב ב- £ 1 עם מהירויות הבסיס הראשי של מלטש ב 300 סל ד ו 60 סל ד, בהתאמה.
4. פולנית הדגימה באמצעות מיקרומטר 0.05 אלומינה השעיית פתרון על מטלית רכה, סינתטי זהורית עבור משך זמן של 90 דקות ב- 1 ק ג עם הבסיס ואת הראש מהירות של 100 סל"ד ו- 60 סל ד, בהתאמה, גם בטמפרטורת החדר.
5. הכניסו את דגימות גביע עם מים מיוננים ולשים את הספל באמבט אולטרא למשך 2 דקות בין כל שלב רצופים של השחזה וליטוש כדי לנקות את השאריות ולמנוע זיהום לחצות.
6. להציג את תכונות פני השטח באמצעות מיקרוסקופ אופטי והדמיה SEM.
   הערה: כפי שמוצג באיור 1, osteons, תעלות הברס, מלט קווים, אזורים אינטרסטיציאליות, ולקונות נצפו על דגימות שור קליפת העצם שקצרנו. שיטות הדמיה אלה חושפים הטבע נקבובי, הטרוגניות, אניסוטרופי של קליפת העצם שקצרנו דגימות. בנוסף, משטח מתקדם בחינת דגימות בוצעה כדי להעריך את טיב פני השטח מלוטש. משטח מלוטש נציג מוצג באיור2.

4. מיקרו מבחן שריטה

הערה: מיקרו שריטה בדיקות מבוצעות על דגימות עצם קורטיקלית שור מלוטשת באמצעות כבודק מאפס מיקרו (איור 3). יהלום רוקוול indenter עם רדיוס עצה של מיקרומטר 200 וזווית פיסגה של 120° משמש לצורך המחקר. המכשיר מאפשר היישום של עומס הדרגתית ליניארית עד 30 ש יתר על כן, המכשיר מצויד עם חיישנים דיוק גבוהה כדי למדוד את עומס אופקי עומק החדירה, אקוסטית פליטת שנוצר עקב גירוד. המכשיר ניתן ללכוד את פנורמות של חריצים מאפס.

1. לפני בדיקה של קליפת העצם שקצרנו דגימות, לכייל את הטיפ indenter רוקוול באמצעות פוליקרבונט כמו גשמי הפניה³.
2. מקם את הדגימה קליפת העצם שקצרנו על הבמה ובחרו האתר של מבחן שריטה באמצעות מיקרוסקופ אופטי להגדיר משולב במודול מיקרו הבוחן מאפס.
3. החל עומס הדרגתית ליניארי עם עומס התחלה של 30 עומס mN ו- end של 30 ש יש להגדיר את קצב הטעינה N 60/min, האורך מאפס עד 3 מ מ.
4. לבצע סדרה של בדיקות לגרד קצר האורך (איור 3b) דגימות שור קליפת העצם שקצרנו כמופיע באיור3.
5. רטוב המשטח הדגימה HBSS לאחר סט של בדיקות שריטה כל שלושה-ארבעה לשמור אותם להתייבש.
6. לנתח את הנתונים שריטה מבחן המבוסס על מכניקת השבר לא לינאריות דגמי².

תוצאות

מיקרוסקופ כוח אטומי שימש כדי למדוד את החספוס של פני השטח מלוטש. כלל אצבע, הדגימה נחשב אחד שחדריהם אם חספוס פני השטח היא בסדר גודל קטן יותר תכונות פני השטח של ריבית. במקרה זה, חספוס פני השטח נמדד של 60 ננומטר על פני שטח מיקרומטר 40 µm x 40 בבירור נופל בתוך קריטריון זה.

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 ?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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