Kazıma testi kullanarak sığır kemik kırılganlığını değerlendirilmesi

Özet

Bu çalışmada, mikroskobik kazıma testi kullanarak alt-meso düzeyde sığır kortikal kemik kırığı kırılmaya karşı dayanıklılık değerlendiriyor. Bu orijinal, objektif, titiz, ve kırık tokluk makroskopik ölçek altında soruşturma tekrarlanabilir yöntemi önerdi. Potansiyel uygulamalar değişiklikler nedeniyle Osteoporoz gibi hastalıkların kemik kırılganlığını inceliyorlar.

Özet

Organizasyon beş farklı düzeyde olan karmaşık bir hiyerarşik malzeme kemiktir. Yaşlanma gibi faktörler ve Osteoporoz gibi hastalıkların kemik kırığı eğilimli yapma, kırılganlık artar. Kemik kırığı bizim toplumda büyük sosyo-ekonomik etkisi sayesinde, kemik hiyerarşik her düzeyde mekanik performansını değerlendirmek yeni yollar için bir ihtiyaç vardır. Her ne kadar sertlik ve güç tüm ölçeklerde-nano - mikro, Mezo-, probed ve makroskopik – kırığı değerlendirmesi defa makroskopik test için sınırlı olmuştur. Bu sınırlama kemik kırığı anlayışımızı kısıtlar ve laboratuar ve klinik çalışmalar kapsamını sınırlar. Bu araştırmada, mikroskobik kemiğinden mikro kazıma testi doğrusal olmayan kırılma mekaniği ile kombine kullanarak mezoskopik uzunluğu ölçekler için kırılma direncini araştırıyoruz. Testler sığır kemik numuneler üzerinde kısa boyuna yönlendirme yapılmaktadır. Bir titiz deneysel protokol geliştirilmiş ve çok sayıda (102) testleri kırık tokluk kemik Mikroyapı ile ilişkili heterojenite için muhasebe sırasında kortikal kemik örneklerin değerlendirmek için yapılır.

Giriş

Bu çalışmada, bir roman mikro sıfırdan tekniği^{1,2,3,4kullanarak kırık kırılmaya karşı dayanıklılık (lamel düzeyi) microscale mesoscale (osteonları) sığır kompakt kemiği ölçmek, 5}. Çatlamak başlatma ve çatlamak yayma gibi kemik kırığı işlemlere doğrudan uzunluğu ölçekler farklı yapısal bileşenlerinin ve organizasyon hiyerarşisinin farklı düzeylerde tarafından etkilenmektedir. Bu nedenle, kemik kırığı daha küçük uzunluk ölçeklerde değerlendirilmesi için verimli bir temel anlayış kemik kırılganlık esastır. Bir yandan, üç sayılık bükme gibi geleneksel testleri kompakt gerginlik ve kivrimi sınamaları yaygın olarak sığır femur ve tibia kırığı karakterizasyonu makroskopik ölçek^6,7, için yürütülen ⁸. Öte yandan, kırık tokluk mikroskobik ölçekte ölçmek için önerilen⁹Vicker'ın girinti kırık oldu. Mikro girinti Radyal çatlaklar oluşturmak için Vicker'ın uç kullanılarak gerçekleştirildi. Ayrıca, Oliver Pharr nanoindentation kırık tokluk yöntemi kullanarak bir keskin küp köşe uç¹⁰gerçekleştirildi.

Yukarıdaki temel nanoindentation kırık tokluk çalışmalarda böylece üretilen çatlaklar uzunlukları gözlemci tarafından ölçüldü ve yarı deneysel bir model kırık tokluk hesaplamak için kullanıldı. Ancak, bu yöntemler irreproducible, öznel ve sonuçları son derece gözlemcinin beceri optik mikroskobu kullanılarak veya elektron mikroskobu tarama çatlamak uzunlukları ölçmek için ihtiyaç nedeniyle bağlı. Ayrıca, kazıma testi nano ölçekte yapılmıştır, ancak gücü çatlaklar nedeniyle azalma için hesaba katmaz ve¹¹kusurları gibi temel matematiksel model fizik tabanlı değildir. Böylece, bir boşluk bilgi var: bir yöntem mikroskobik düzeyde kırığı değerlendirmesi için temel bir fizik tabanlı mekanik modeli. Bu boşluğu bilgi mikro kazıma testi uygulanması kemik ilk domuz numuneler⁵üzerinde odaklanarak kompakt için motive. Çalışma artık daha fazla sığır kemik anlamaya biçimde genişletilmiştir.

Örneklerin iki farklı yönelimleri mümkündür: boyuna enine ve kısa boyuna. Boyuna enine özellikleri femur boyuna eksenine dikey kırık karşılık gelir. Oysa, kısa boyuna karşılık gelen kırık özelliklerine uyluk kemiği⁵boyuna ekseni boyunca. Bu çalışmada, sığır kortikal kemik kemik kırığı direnci kısa boyuna yönde karakterize etmek için sıfırdan test uygulanır.

Protokol

Not: Burada açıklanan protokol Illinois kurumsal hayvan bakım ve kullanım Komitesi ve hayvan bakımı kuralları izler.

1. numune tedarik

1. Taze hasat sığır kemiklerine bir mezbaha tarım USDA sertifikalı Amerika Birleşik Devletleri bölümünden toplamak ve onları soğutucuda plastik hava sıkı torbalarda taşıma.
   Not: burada koordinatörlüğünde giden bu çalışma için 24-30 ay yaşlı, taşralı ve ağırlığını yaklaşık 1.000 - 1.100 pound hayvanlardan kemiklerine toplanmıştır.
2. Uyluk -, 20 ° C numune hazırlama prosedürü başlayana dondur. Bu sıcaklık kemiklerine taze^12,13,14tutar.

2. kesme, temizlik ve numuneler katıştırma

1. Yaklaşık 2 saat oda sıcaklığında su ile bir kap içinde donmuş kemiklerine çözülme.
2. Numuneler tek tip kesiti kortikal kemik ile üretmek için tablo üst elmas şerit testere kullanarak orta diaphysis bölgesinden çoklu diskler yaklaşık 10-15 mm kalınlığında kesin.
3. Bir diseksiyon kit herhangi bir yumuşak doku veya kortikal kemiğe bağlı eti kaldırmak için kullanın.
4. Adım üzerinde düşük hızlı bir elmas wafering bıçak kullanarak 2.2 kemiklerine kesitleri elde kesik ıslak koşullarda kemiğin boyuna ekseni boyunca birden çok kabaca tetrahedron bölüm elde etmek için gördüm.
   Not: Burada, yalnızca numune hazırlama ve çizik kısa – yapılan testler boyuna örnekler ele alınmıştır. Ancak, kesim yönü hariç, hazırlık yordamı enine yönlendirme için aynı kalır.
5. 20 dk ultrasonik bir süpürge bir süre %1,5 Anyonik temizleyici kullanarak hazırlanan solüsyona ve %5 çamaşır suyu numuneler temiz.
6. Akrilik Reçine kortikal kemik örnekleri katıştır (burada polimetil metakrilat (PMMA)) işleme ve istikrar için kolaylaştırmak için.
   1. Numuneler katıştırmak için önce bir yayın aracı ile kalıp duvarları kat. Sonra mix Akrilik Reçine ve sertleştirici PMMA üreticisi tarafından verilen talimatlara göre bir ölçek.
   2. Kesme kortikal kemik örneklerin her kalıp kaşıyacak biri yüzeyi ile içine yerleştirin aşağı doğru bakacak. Akrilik Reçine karışımı dökün içine bu numune sahipleri hazır. Numuneler en fazla 4-5 saat süresince tedavi edelim.
7. 5 mm kalınlığında diskler katıştırılmış örneklerden kesmek, düşük hızlı kullanarak kaşıyacak biri için yüzey açığa gördüm ve numuneler çapının metal (alüminyum) diskler üzerine monte 34 mm ve yükseklik 5 mm siyanoakrilat yapıştırıcı kullanarak.
8. Hanks dengeli tuzlu çözüm (HBSS içinde) batırılmış bir ölçüm örnekleri şal ve 4 ° C'de daha fazla kullanım^15,16kadar buzdolabında bekletin.

3. Bileme ve parlatma iletişim kuralları

Not: önceden küçük uzunluklu ölçeklerde yüksek hassasiyetli test için gerekli bir pürüzsüz ve tesviye örneklerin yüzeydir. Önceki iletişim kuralları parlatma^13,17 neden önemli yanlışlık ölçümdeki önde gelen büyük bir yüzey pürüzlülüğü içinde. Düşük ortalama yüzey pürüzlülüğü, 100 ulaşmada sorun yatıyor nm, geniş bir alan 3 x 8 mm² yüzey üzerinde.

1. 400 grit ve 600 grit silikon karbid kağıtları 1 dk ve 5 min için sırasıyla kullanarak oda sıcaklığında sığır kemik numuneler bilenmesi. Değirmeni-Perdah 100 rpm ve 150 rpm, temel hızında sırasıyla korumak.
2. Makine her adımı için 15 dk süresince sığır kemik örnekleri, oda sıcaklığında 800 ile 1,200 grit kağıt üzerinde eziyet. Değirmeni-Perdah 150 devir/dakika, baş hız 60 rpm ve yük 1 lb çalıştırmanın temel hızı korumak.
3. 3 µm, 1 µm ve 0.25 µm elmas süspansiyon çözümleri sert, delikli, dokuma olmayan kumaş üzerine aynı sırada 90 dk her oda sıcaklığında bir süre kullanarak örnekler Lehçe. Çalışma yük Parlatıcı 300 rpm ve 60 rpm, temel ve baş hızları ile 1 lb her adımda için sırasıyla korumak.
4. 0,05 µm Alümina süspansiyon çözüm bir yumuşak, sentetik Rayonu kumaş üzerine 100 rpm ve 60 rpm, temel ve baş hızına sahip 90 dk 1 lb az bir süre sırasıyla, aynı zamanda oda sıcaklığında kullanarak numune Lehçe.
5. De-iyonize su ile bir ölçek örnekleri koymak ve Bileme ve parlatma kalıntı temiz ve Çapraz bulaşma önlemek için 2 dk arasında birbirini izleyen her adım için bir ultrasonik banyo kabı sok.
6. Optik mikroskobu ve SEM görüntüleri kullanarak yüzey özelliklerine bakın.
   Not: gösterildiği gibi Resim 1, osteonları, Haversian kanalları, çimento hatları, interstisyel bölgeler ve lacunae sığır kemik numuneler üzerinde gözlendi. Bu görüntüleme yöntemleri kortikal kemik örnekleri gözenekli, heterojen ve Anizotropik doğasını ortaya çıkarmak. Ayrıca, Gelişmiş yüzey sınav örneklerin cilalı yüzey kalitesini değerlendirmek için gerçekleştirildi. Temsil edici bir cilalı yüzey Şekil 2' de gösterilmiştir.

4. mikro deri testi

Not: Mikro kazıma testi mikro sıfırdan Sınayıcısı (şekil 3) kullanma parlatılmış sığır kortikal kemik numuneler üzerinde gerçekleştirilir. Bir elmas Rockwell uç 200 µm ve tepe açısı 120 ° uç yarıçaplı çalışma için kullanılır. Araç bir lineer ilerici yükte 30 N. uygulanması sağlar Ayrıca, araç yatay yük, penetrasyon derinliği ve Akustik emisyon tırmalamak nedeniyle oluşturulan ölçmek için yüksek doğruluk sensörleri ile donatılmıştır. Araç sıfırdan yivli panoramalar yakalayabilirsiniz.

1. Kortikal kemik örnekleri test önce polikarbonat referans malzeme³kullanarak Rockwell uç uç kalibre edin.
2. Kortikal kemik örneği Sahne Alanı'nda yerleştirin ve deri testi mikro sıfırdan tester modülüne entegre kurmak optik mikroskop kullanarak siteyi seçin.
3. Bir başlangıç yük 30 mN ve sonunda yükü 30 N. ile doğrusal bir ilerici yük uygulamak Yükleme hızı 60 N/dk ve sıfırdan uzunluğu 3 mm olarak ayarlanması gerekir.
4. Kazıma testi dizi kısa boyuna (şekil 3büzerinde) yapmak şekil 3' te gösterildiği gibi sığır kemik örnekleri.
5. HBSS ile numune yüzey onları nemli tutmak için her üç-dört kazıma testi bir dizi sonra ıslak.
6. Doğrusal olmayan kırılma mekaniği²modelleme bağlı deri testi verilerinizi çözümlemek.

Sonuçlar

Atomik kuvvet mikroskobu cilalı yüzey pürüzlülüğü ölçmek için kullanıldı. Yüzey pürüzlülüğü bir büyüklük daha ilgi özellik yüzey daha küçük ise kural olarak örnek iyi cilalanmış bir nitelendirir. Bu durumda, ölçülen yüzey pürüzlülüğü 60 nm 40 µm x 40 µm alanı üzerinde açıkça bu ölçütünde düşüyor.

Şekil 4 penetrasyon karşı kuvvet temsilcisi ç...

Tartışmalar

Mikro kazıma testi karma mod kırık³neden. Ayrıca, sonda daha derin kazılar gibi kısa boyuna sığır kortikal kemik örnekleri kırık işlemler etkinleştirilir. 3 mm uzun çizik için probed Prizmatik yaklaşık 3600 µm uzun, 600 µm geniş ve 480 µm derin birimdir. Bu büyük hacimli bir homojenize öngörmede içinde yardımcı oldu. Doğrusal olmayan kırılma mekaniği manken üzerinde Jdayalı kırık direnç ayıklamak için bize etkin-ayrılmaz hesaplama^...

Malzemeler

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