스크래치 테스트를 사용 하 여 소 피 질 골의 취약성 평가

요약

이 연구는 미세한 스크래치 테스트를 사용 하 여 하위 meso 수준 소 외피 뼈의 파괴 인 성을 평가 합니다. 이것은 원래, 목표, 엄격한, 그리고 거시적인 규모 아래 파괴 인 성이을 재현 방법 제안. 잠재적인 응용 프로그램 변화를 공부 하 고 골다공증 같은 질병으로 인해 뼈 취약성에 있다.

초록

뼈 조직의 5 가지 수준의 복잡 한 계층적 자료입니다. 노후화 같은 요인 및 질병 골다공증 같은 뼈, 골절 발생 하기 쉬운 그것을 만들기의 취약성 증가. 때문에 우리 사회에서 뼈 골절의 큰 사회 경제적 영향, 뼈의 각 계층 수준에의 기계적인 성능을 평가 하기 위해 새로운 방법을 필요가 있다. 강성과 강도 모든 비늘-나노, 마이크로, meso, 조사 수 있지만 거시적인-골절 평가 지금까지에 국한 거시적인 테스트. 이 제한 뼈 골절에 대 한 우리의 이해를 제한 하 고 실험실 및 임상 연구의 범위를 제한. 이 연구에서 우리는 비선형 파괴 역학과 결합 된 마이크로 스크래치 테스트를 사용 하 여 생체 길이 비늘에 있는 미세한에서 뼈의 분쇄 저항을 조사 합니다. 테스트는 소 외피 뼈 표본에 짧은 경도 방향에서 수행 됩니다. 세심 한 실험 프로토콜 개발 및 테스트의 많은 수 (102) 뼈 미세와 관련 된이 대 한 회계 동안 대뇌 피 질의 뼈 표본의 파괴 인 성 평가를 실시 하 고 있습니다.

서문

이 연구에서 우리는 새로운 마이크로 스크래치 기법^1,2,3,4,^{를 사용 하 여 눈금 (플레이트 수준)에 mesoscale (osteons)에서 소 조밀한 뼈의 골절 인 측정 5}. 균열 개시와 균열 전파를 포함 하 여 뼈에 골절 프로세스 직접 길이 비늘 때문에 다른 구조상 성분 및 조직 계층의 다른 수준에 의해 좌우 된다. 따라서, 작은 길이 스케일에서 뼈 골절을 평가 뼈 취약성의 근본적인 이해를 양보 필수적 이다. 한편으로, 3-포인트 절곡 등 기존의 테스트 압축 긴장, 및 굴곡 테스트는 일반적으로 소과 대 퇴 골 및 경골 골절 특성화 거시적인 규모^6,7, 에 대 한 실시 ⁸. 다른 한편으로, 미세한 규모 파괴 인 성 측정, 하 비 커의 들여쓰기 골절 제안된⁹이었다. 마이크로 들여쓰기 방사형 균열을 생성 하는 비 커의 indenter를 사용 하 여 수행 되었다. 또한, 올리버 파 나노 분쇄 강인 성 방법 날카로운 큐브 코너 indenter¹⁰를 사용 하 여 수행 되었다.

위의 나노 기반 파괴 인 성 연구에 따라서 생성 된 균열의 길이 관찰자에 의해 측정 되었다 하 고 반 경험적 모델 파괴 인 성이 계산 하는 데 사용 되었다. 그러나, 이러한 메서드는 명료화, 주관적인, 그리고 결과 관찰자의 기술을 사용 하 여 광학 현미경 또는 전자 현미경을 스캐닝 균열 길이 측정 하는 필요 때문에 상당히 의존. 또한, 스크래치 테스트는 나노 스케일에서 실시 했다 하지만 기본 수학적 모델 아니다 물리학을 기반으로 강도 균열 때문에 감소에 대 한 고려 하지 않는 고 결함¹¹. 따라서, 지식의 격차는 존재 한다: 물리학을 기반으로 기계적 모델을 기반으로 미세한 수준에서 골절 평가 하는 방법. 지식의이 갭 동기 돼지 표본⁵에 먼저 집중 하 여 뼈를 압축 하려면 마이크로 스크래치 테스트 응용 프로그램. 연구 이제 더 소 외피 뼈를 이해 하도록 확장 되었습니다.

표본의 2 개의 다른 방향 가능 하다: 경도 가로 및 세로. 세로 가로 골절 대 퇴 골의 종 축에 수직인 속성에 해당 합니다. 반면, 짧은 대 퇴 골⁵의 경도 축 골절 속성에 해당 하는 경도. 이 연구에서 우리는 스크래치 테스트 짧은 경도 방향에 있는 뼈의 골절 저항 하 소 외피 뼈를 적용 합니다.

프로토콜

참고: 여기서 설명 하는 프로토콜 일리노이 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 동물 보호 지침을 따릅니다.

1. 견본 조달

1. 미국 학과 농업 미국 농 무부 인증 도살에서에서 갓 수확된 소 화관을 수집 하 고 단단한 플라스틱 공기 냉각기 가방에 그들을 수송.
   참고: 여기에 실시 하는 연구를 위해 화관 24-30 개월 오래 되 고, 옥수수, 무게 약 1000-1100 파운드 동물에서 수집 되었다.
2. 견본 준비 절차의 시작까지 -에서 화관 20 ° C를 고정 합니다. 이 온도 화관 신선한^12,,1314를 유지합니다.

2. 절단, 청소, 그리고는 견본을 포함

1. 실 온에서 약 2 시간에 대 한 물 컨테이너에 냉동된 화관 녹여
2. 여러 개의 디스크에 대해 10-15 m m 두꺼운 외피 뼈의 균일 한 단면적으로 견본을 생산 하는 테이블 톱 다이아몬드 밴드 톱을 사용 하 여 중간 diaphysis 영역에서 잘라.
3. 해 부 키트를 사용 하 여 모든 연 조직 또는 외피 뼈에 연결 된 육체를 제거.
4. 잘라내기는 화관의 횡단면 단계 낮은 속도에 다이아몬드 wafering 블레이드를 사용 하 여 2.2에서에서 얻은 여러 약 cuboidal 섹션을 얻기 위해 뼈의 경도 축 젖은 조건에서 보았다.
   참고: 여기, 견본 준비와 스크래치 테스트 수행-짧은에 경도 표본 설명. 그러나, 절단 방향 제외한 준비 절차 동일 가로 방향에 대 한 합니다.
5. 청소기 1.5% 음이온을 사용 하 여 준비 하는 솔루션에 표 백제 5% 표본 초음파 세탁 기술자에서 20 분 동안 청소.
6. 아크릴 수 지에 외피 뼈의 견본을 포함 (여기 polymethyl 메타 크리 레이트 (PMMA)) 처리 및 안정성의 용이성에 대 한.
   1. 표본 포함 하려면 먼저 릴리스 에이전트와 금형의 벽 코트. 다음 아크릴 수 지와 경화제 PMMA 제조 업체에 의해 주어진 지침에 의하여 비 커에서 혼합.
   2. 긁힌 수 표면 각 금형에 장소 하나 잘라 외피 뼈 표본 아래쪽으로 직면 하 고. 아크릴 수 지 혼합물을 부 어에 견본 홀더를 준비. 표본 최대 4-5 h 동안 치료 하자.
7. 5-m m 두꺼운 디스크에 포함 된 표본을 잘라, 낮은 속도 사용 하 여 긁힌 수 표면 노출 보고 마운트 직경의 금속 (알루미늄) 디스크에 표본 34 m m, 높이 5mm cyanoacrylate 접착제를 사용 하 여.
8. 배어 있는 행 크 스 균형 염 분 솔루션 (HBSS) 계기에 있는 표본 랩과 추가 사용^15,16까지 4 ° C에서 냉장 보관.

3. 연 삭 및 연마 프로토콜

참고: 작은 길이 스케일에서 고 정밀도 테스트는 필수 표본 부드럽고 수평 표면입니다. 이전 프로토콜 연마^13,17 측정에 상당한 부정확성으로 이어지는 큰 표면 거칠기에 결과. 낮은 평균 표면 거칠기, 100 미만 달성에 도전 있다 nm, 큰 지역 3 x 8 m m² 표면.

1. 각각 사용 하 여 400 그 릿 및 600 모래 실리콘 카바 이드 논문 1 분 및 5 분, 실 온에서 소 외피 뼈 표본 갈기. 각각 100 rpm 및 150 rpm의 기본 속도에서 그 라인 더-폴 리 셔를 유지 합니다.
2. 기계는 각 단계에 대 일 분의 기간에 대 한 800의 그리고 1200 모래 종이에 상 온에서 소 외피 뼈 표본 갈기. 150 rpm, 60 rpm, 그리고 1 파운드의 부하 운영의 머리 속도의 기본 속도에서 그 라인 더-폴 리 셔를 유지 합니다.
3. 폴란드는 하드에 같은 순서로 3 µ m, 1 μ m, 및 0.25 µ m 다이아몬드 정지 솔루션을 사용 하 여 표본 구멍, 상 온에서 각각 90 분의 기간에 대 한 비 짠 옷감. 각각 기본 및 머리 속도 300 rpm 및 60 rpm, 폴 리 셔의 1 파운드에서 각 단계에 대 한 운영 부하를 유지 합니다.
4. 솔루션을 사용 하 0.05 µ m 알 루미나 정지 부드러운, 합성 주 천으로 100 rpm 및 60 rpm의 기지와 머리 속도 1 파운드에서 90 분 동안 각각, 또한 실 온에서 견본을 폴란드어.
5. 표본 드 이온된 수와 비 커에 넣어을 비 커에 연 삭, 연마 찌 꺼 기를 청소 하 여 교차 오염을 방지의 각 연속 단계 사이 2 분 동안 초음파 목욕.
6. 광학 현미경과 SEM 이미지를 사용 하 여 표면 기능 보기
   참고: 시멘트 라인, Haversian 운하, osteons, 그림 1에서 같이, 중간 영역 및 격차 관찰 되었다 소 외피 뼈 표본에. 이러한 이미징 방법 공개 외피 뼈 표본의 다공성, 이기종, 및 이방성 특성. 또한, 고급 표면 검사는 표본의 광택된 표면 품질을 평가 하기 위해 수행 되었다. 대표 광택된 표면 그림 2에 표시 됩니다.

4. 마이크로 스크래치 테스트

참고: 마이크로 스크래치 테스트 마이크로 스크래치 테스터 (그림 3)를 사용 하 여 광택된 소 외피 뼈 표본에 수행 됩니다. 다이아몬드 120 °의 200 µ m 및 정점 각도의 팁 반경과 록웰 indenter 연구에 사용 됩니다. 악기는 최대 30 명. 선형 진보적인 부하의 응용 프로그램을 수 있습니다. 또한, 악기 고정밀 센서 수평 부하, 침투 깊이 및 긁힘으로 인해 발생 하는 음향 방출 측정 장비 된다. 악기는 스크래치 홈의 파노라마를 캡처할 수 있습니다.

1. 외피 뼈 표본 테스트 전에 참고 자료³폴 리 카보 네이트를 사용 하 여 로크 웰 indenter 팁 보정.
2. 무대에 외피 뼈 견본을 놓고 스크래치 테스트 마이크로 스크래치 테스터 모듈 통합 설정 광학 현미경을 사용 하 여 사이트를 선택 합니다.
3. 30 명. 30 mN 및 끝 부하의 시작 로드와 선형 진보적인 부하 적용 로딩 속도 60 N/min와 스크래치 길이 3 m m로 설정 합니다.
4. 수행 하는 일련의 스크래치 테스트는 짧은 경도 (그림 3b)에 소과 외피 뼈 표본 그림 3에서 볼 수 있듯이.
5. 그들이 충분 한지 체크 해 계속 모든 3 ~ 4 스크래치 테스트 집합 후 HBSS로 견본 표면에 젖은.
6. ²모델링 비선형 파괴 역학에 따라 스크래치 테스트 데이터를 분석 합니다.

결과

원자 힘 현미경 검사 법은 광택된 표면 거칠기 측정에 사용 되었다. 엄지손가락의 규칙으로는 견본 표면 거칠기의 표면 기능 보다는 더 작은 크기 순서 인 경우 잘 닦 여 진된 것으로 평가가 없습니다. 이 경우에, 60의 측정 된 표면 거칠기 nm 40 µ m x 40 µ m 영역 명확 하 게이 조건 내에서 폭포.

그림 4 는 침?...

토론

마이크로 스크래치 테스트 유도 혼합 모드 골절³. 또한, 짧은 경도 소 외피 뼈 표본에서 골절 프로세스 프로브 세트 깊은 활성화 됩니다. 3 m m 긴 스크래치에 대 한 조사 프리즘 볼륨 이며 약 3, 600 µ m 긴, 600 µ m 폭, 480 µ m 깊이. 이 대용량 무 균된 응답 예측에 도움이. 비-선형 파괴 역학 모델 J에 따라 골절 저항 추출 있게-정수 계산^1,,

자료

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