JoVE Logo
著者
お問い合わせ

サインイン

このコンテンツを視聴するには、JoVE 購読が必要です。 サインイン又は無料トライアルを申し込む。

この記事について

  • 要約
  • 要約
  • 概要
  • プロトコル
  • 結果
  • ディスカッション
  • 開示事項
  • 謝辞
  • 資料
  • 参考文献
  • 転載および許可

要約

本研究では、微細なスクラッチ テストを使用して sub メソ レベルでウシ皮質骨の破壊じん性を評価します。これは、元の目的は、厳格なと再現可能な手法を提案する巨視的スケール以下破壊靭性を調査します。潜在的なアプリケーションは、骨粗しょう症などの病気が骨の脆弱性の変更を検討しています。

要約

骨は組織の 5 つの異なるレベルで複雑な階層的な素材です。高齢化などの要因や骨粗しょう症のような病気は、破壊が発生しやすいこと、骨の脆弱性を増加します。おかげで私たちの社会での骨破壊の大きい社会経済的影響、骨の各階層レベルの機械的性能を評価するために斬新な方法の必要性があります。剛性と強度は、ナノ、マイクロ、メゾ、-すべてのスケールで検出できるし、巨視的-破壊評価のところに限定されてきた巨視的テストします。この制限は、骨破壊の私達の理解を制限し、実験室および臨床研究のスコープを制限します。本研究では、非線形破壊力学と組み合わせてマイクロのスクラッチ テストを用いたメゾスコ ピック長さスケール マイクロから骨の破壊抵抗を調査します。テストは、ウシ皮質骨標本の短い縦方向で実行されます。綿密な実験的プロトコルを開発し、(102) 多数のテストが関連付けられて骨微細構造の不均一性を考慮して皮質骨片の破壊靱性の評価を行います。

概要

本研究ではマイクロ スクラッチ手法1,2,3,4を使用してマイクロ スケール (ラメラ レベル) にメソスケール (ヒツジ) から牛緻密骨の破壊靭性を測定します。 5。骨のき裂発生とき裂を含む破壊過程は異なる構造成分と階層のさまざまなレベルでの組織のための長さのスケールで直接受けます。したがって、小さい長さのスケールで骨破壊を評価する骨の脆弱性の根本的な理解に不可欠です。一方、三点曲げなど従来のテスト コンパクト張力と曲げ試験が牛大腿骨と脛骨巨視的スケール6,7,破壊特性評価のために一般的8です。 一方、顕微鏡のスケールで破壊靭性を測定するビッカースの押し込み破壊された提案9。ビッカースの圧子を使用して放射状の裂け目を生成する微小押込みを行った。さらに、シャープなキューブ コーナー圧10を使用してオリバー ファー ナノインデンテーション破壊靱性法を行った。

上記ナノインデンテーション試験による破壊靱性研究の観察者によって測定したため発生したき裂の長さと破壊靭性を求めるための半経験的モデルだった。ただし、これらのメソッドは、照らし合わせ、主観的なもので、結果、光学顕微鏡や走査電子顕微鏡のき裂長さを測定する必要があるのため観察者のスキルに大きく依存。さらに、スクラッチ テストをナノレベルで行ったが基になる数学モデル物理ベースひび割れによる強度低下を考慮しないし、11の欠陥します。従って、知識のギャップが存在している: 物理学ベースの機械論的モデルに基づいて顕微鏡レベルでの破壊評価手法。知識のこのギャップは、マイクロのスクラッチ テストのアプリケーションをブタの標本5にまず焦点を当てて骨をコンパクトな動機。研究は、さらにウシ皮質骨を理解するため拡張されています。

標本の 2 つの異なる方向が可能: 縦横や短い縦方向。縦の横行は、破壊特性大腿骨の長軸に垂直に対応します。一方、短い縦5大腿骨の長軸に沿って破壊特性に対応します。この研究では短い縦方向の骨の破壊抵抗を特徴付けるためウシ皮質骨にスクラッチ試験を適用します。

プロトコル

注: ここで説明されているプロトコル イリノイ施設動物ケアおよび使用委員会の動物のケアのガイドラインに従います。

1. 試験片の調達

  1. アメリカ合衆国農務省 USDA 認定食肉処理場から新鮮な収穫のウシ大腿骨を収集し、クーラーにプラスチック気密袋にそれらを輸送します。
    注: ここで行われた調査、大腿骨は 24-30 月古い、トウモロコシ、および重量を量られた約 1,000 - 1,100 ポンドをされた動物から収集されました。
  2. 標本の準備手順の開始まで 20 ° C -で大腿骨を固定します。この温度は、大腿骨の新鮮な12,13,14を保持します。

2 カット、洗浄、および試料の埋め込み

  1. 約 2 時間室温で水を容器で冷凍の大腿骨を解凍します。
  2. 皮質骨の断面積が一様に標本を生成するテーブル トップ ダイヤモンド バンドソーを使用して中間の骨幹地域から複数のディスク約 10-15 mm の厚さをカットします。
  3. 軟部組織や皮質骨の肉を除去するのに解剖キットを使用します。
  4. 手順 2.2 ダイヤモンド wafering ブレードを用いた低速で取得した、大腿骨断面カットを複数ほぼ立方形のセクションを取得する骨の長軸方向の湿潤条件下で見た。
    注: ここでは、標本準備および短い-スクラッチ検査のみ縦標本については、説明します。ただし、切断の方向以外準備手順の横方向の同じまま。
  5. 超音波洗浄器で 20 分の持続期間のため溶液 1.5% アニオン系の洗剤を使用し、5% の漂白剤の標本をきれい。
  6. 皮質骨の標本をアクリル樹脂に埋め込む (ここポリメタクリル酸メチル (PMMA)) ハンドリングと安定性の容易さのため。
    1. 離型剤、金型の壁はコートに試料を埋め込むには、まず。アクリル樹脂や PMMA の製造元の指示に従って、ビーカー中の硬化剤混ぜます。
    2. カットの皮質骨標本の 1 つに配置各金型の表面に傷が下向き。アクリル樹脂の組合せを注ぐこれら標本のホールダーを準備します。標本は 4-5 h までの期間に治療しましょう。
  7. 5 mm 厚ディスクに埋め込まれた標本をカット、低速を使用して傷が表面の公開を見て、マウント径の金属 (アルミニウム) ディスクに標本 34 mm、高さ 5 mm のシアノアクリ レート系接着剤を使用します。
  8. ハンクス バランスの取れた生理食塩水ソリューション (HBSS) を浸したゲージで標本をラップし、4 ° C でさらに使用15,16まで冷蔵庫で冷やします。

3. 研削・研磨のプロトコル

注: 前提に小さい長さのスケールで高精度のテスト標本の滑らかで同点表面であります。プロトコルを研磨前13,17は、大規模な表面粗さ測定における実質的な不正確さに 。課題は低平均表面粗さ 100 未満を達成するためにある広域 3 × 8 mm2表面上の nm。

  1. それぞれ 1 分と 5 分の 400 粒、600 粒の炭化ケイ素の論文を利用して常温でウシ皮質骨標本を挽きます。基本速度 100 rpm および 150 rpm、研磨機、それぞれを保持します。
  2. マシンは、ステップごとに 15 分の持続期間のための 800 のそして 1,200 の屑のペーパーに室温でウシ皮質骨標本を挽きます。基本速度 150 rpm、60 rpm と運転 1 ポンドの負荷のヘッド スピードで研磨機を維持します。
  3. ハード、穴あき、不織布の上と同じ順序で 3 μ、1 μ m、0.25 μ m ダイヤモンド懸濁液ソリューションを使用して室温で 90 分の持続期間のための標本を磨きます。それぞれ各ステップで 300 rpm と 60 rpm、ポリッシャーのベースとヘッド スピードで 1 ポンドの負荷の動作を維持します。
  4. 試料を合成、柔らかいレーヨン布の上 0.05 μ m のアルミナ懸濁液ソリューション 100 rpm と 60 rpm のベースとヘッド スピードで 1 lb 90 分の持続期間のためそれぞれ、また室温を磨きます。
  5. 脱イオン水でビーカーに試料を置くし、研削・研磨に残留物をきれいにし、交差汚染を避けるための連続した各ステップの間に 2 分間超音波風呂でビーカーを置きます。
  6. 光学顕微鏡・ SEM イメージングを使用して表面の特徴を表示します。
    注:図 1ヒツジ、ハバース運河、セメント ラインのように、間質性の領域、および窩は認めウシ皮質骨の標本。これらの撮像方法では、皮質骨片の多孔性、異種、異方性の性質を明らかにします。また、研磨面の品質を評価するために標本の高度な表面検査を行った。代表的な研磨面を図 2に示します。

4. マイクロ スクラッチ テスト

注: マイクロ スクラッチ テストはマイクロ スクラッチ試験機 (図 3) を使用して洗練されたウシ皮質骨の標本で行われます。ロックウェル圧子先端半径 200 μ m と尖角 120 度のダイヤモンドは、研究に使用されます。30 名までの線形進行負荷のアプリケーションでも使用可能します。さらに、計測器が水平荷重、浸透の深さ、傷により生成されるアコースティック ・ エミッション測定高精度センサーを装備にします。楽器は、スクラッチ溝のパノラマをキャプチャできます。

  1. 皮質骨片を試験前に参考材料3としてポリカーボネートを使用してロックウェル圧子先端を調整します。
  2. 皮質骨標本をステージに配置し、マイクロのスクラッチ試験機モジュールに統合されたセットアップ光学顕微鏡によるスクラッチ テストのサイトを選択します。
  3. 30 名の 30 mN と終了のロードの開始の負荷直線進歩的な荷重を適用します。読み込み速度は、60 N/分とスクラッチの長さ 3 mm に設定する必要があります。
  4. 短い縦方向 (図 3 b) のスクラッチ テストのシリーズを実行ウシ皮質骨標本図 3に示す。
  5. それら水和を維持するすべての 3 〜 4 スクラッチ テストのセット後 HBSS で試料表面を濡らします。
  6. 2モデルの非線形破壊力学に基づくスクラッチ試験データを分析します。

結果

原子間力顕微鏡は、研磨面の粗さを測定に使用されました。表面粗さが関心の表面の特徴よりも小さい大きさの順序の場合親指のルールとして洗練の 1 つとして試料の資格します。この場合、60 の測定表面粗さ 40 μ x 40 μ m 領域の上の nm は明らかにこの基準内します。

対浸透力の短い縦ウシ皮質骨片に対して代表的なス?...

ディスカッション

マイクロのスクラッチ テストは、混合モード破壊3を誘発します。さらに、短い縦ウシ皮質骨片の破壊過程はプローブはさらに深く掘り下げて、アクティブ化されます。3 ミリメートル長い傷プローブ プリズムのボリュームは約 3,600 μ m 長い、600 μ m、幅 480 μ m 深い。この大量に均質化された応答予測を助けた。非線形破壊力学モデルJに基づく破壊耐力を抽出するこ?...

開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

この仕事は、土木科、環境工学とイリノイ大学アーバナ シャンペーン校工学部によって支えられました。我々 は度 Mendu の大学院の研究を支援するためラビンドラ Kinra と Kavita Kinra 交わりを認めます。フレデリック ・ ザイツ材料研究所、イリノイ大学アーバナ シャンペーン校ベックマン研究所の施設・設備で走査型電子顕微鏡による研究を行った。

資料

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

参考文献

  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. , (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, 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, (1997).

転載および許可

このJoVE論文のテキスト又は図を再利用するための許可を申請します

許可を申請

さらに記事を探す

129

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

個人情報保護方針

利用規約

一般データ保護規則

お問い合わせ

図書館への推薦

JoVE ニュースレター

研究

教育

著者

図書館員

JoVEについて

Copyright © 2023 MyJoVE Corporation. All rights reserved