Name: fragility assessment of bovine cortical bone using scratch tests
Uploaded: 2017-11-30T13:00:00
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Diese Arbeit wurde von der Abteilung für Zivil- und Umwelttechnik und College of Engineering an der University of Illinois in Urbana-Champaign unterstützt. Wir erkennen die Ravindra Kinra und Kavita Kinra Fellowship für die Unterstützung der graduate Studies der Kavya Mendu. Scanning Electron Microscopy Untersuchung erfolgte in den Einrichtungen des Frederick Seitz Material Research Laboratory und Beckman Institute an der University of Illinois at Urbana-Champaign.

Hinweis: Die hier beschriebene Protokoll erfolgt nach den Richtlinien der Tierbetreuung des Illinois institutionelle Tier Pflege und Verwendung.
1. Probe Beschaffung
<ol><li>Sammeln Sie frisch geerntete bovine Oberschenkelknochen von Vereinigte Staaten Abteilung des Landwirtschaftsministeriums USDA-zertifizierten Schlachthof und transportieren sie in Plastik luftdicht Taschen in einem Kühler. Hinweis: Für die hier durchgeführten Studie wurden Oberschenkelknochen von Tieren gesammelt, d...

<ol>
	<li>Akono, A., Reis, P., Ulm, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scratching+as+a+fracture+process:+From+butter+to+steel.">Scratching as a fracture process: From butter to steel.</a> Phys Rev Lett. 106 (20), 204302-204304 (2011).</li><li>Akono, A. T., Randall, N. X., Ulm, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+determination+of+the+fracture+toughness+via+microscratch+tests:+application+to+polymers,+ceramics,+and+metals.">Experimental determination of the fracture toughness via microscratch tests: application to polymers, ceramics, and metals.</a> J of Mat Res. 27 (02), 485-493 (2012).</li><li>Akono, A. T., Ulm, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+improved+technique+for+characterizing+the+fracture+toughness+via+scratch+test+experiments.">An improved technique for characterizing the fracture toughness via scratch test experiments.</a> Wear. 313 (1-2), (2014).</li><li>Akono, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energetic+size+effect+law+at+the+microscopic+scale:+Application+to+progressive-load+scratch+testing.">Energetic size effect law at the microscopic scale: Application to progressive-load scratch testing.</a> J of Nanomech and Micromech. 6 (2), (2016).</li><li>Kataruka, A., Mendu, K., Okeoghene, O., Puthuvelil, J., Akono, A. -. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscopic+assessment+of+bone+toughness+using+scratch+tests.">Microscopic assessment of bone toughness using scratch tests.</a> Bone Reports. 6, 17-25 (2017).</li><li>Melvin, J. W., Evans, F. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crack+propagation+in+bone.">Crack propagation in bone.</a> ASME Biomech Symp. , (1973).</li><li>Norman, T. L., Vashishth, D., Burr, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+groove+on+bone+fracture+toughness.">Effect of groove on bone fracture toughness.</a> J of Biomech. 25 (12), 1489-1492 (1992).</li><li>Behiri, J. C., Bonfield, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crack+velocity+dependence+of+longitudinal+fracture+in+bone.">Crack velocity dependence of longitudinal fracture in bone.</a> J of Mat Sc. 15 (7), 1841-1849 (1980).</li><li>Mullins, L. P., Bruzzi, M. S., McHugh, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+microstructural+fracture+toughness+of+cortical+bone+using+indentation+fracture.">Measurement of the microstructural fracture toughness of cortical bone using indentation fracture.</a> J of Biomech. 40 (14), 3285-3288 (2007).</li><li>Harding, D. S., Oliver, W. C., Pharr, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cracking+during+nanoindentation+and+its+use+in+the+measurement+of+fracture+toughness.">Cracking during nanoindentation and its use in the measurement of fracture toughness.</a> MRS Proceedings. 356, 663-668 (1994).</li><li>Islam, A., Dong, X. N., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanistic+modeling+of+a+nanoscratch+test+for+determination+of+in+situ+toughness+of+bone.">Mechanistic modeling of a nanoscratch test for determination of in situ toughness of bone.</a> J of the Mech Bhvr of Biomed Mat. 5 (1), 156-164 (2012).</li><li>McAlden, R. W., McGeogh, J. A., Barker, M. B., Court-Brown, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Age-related+changes+in+the+tensile+properties+of+cortical+bone:+the+relative+importance+of+changes+in+porosity,+mineralization+and+microstructure.">Age-related changes in the tensile properties of cortical bone: the relative importance of changes in porosity, mineralization and microstructure.</a> J. Bone Joint Surg. 75, 1193-1205 (1993).</li><li>Zioupos, P., Gresle, M., Winwood, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fatigue+strength+of+human+cortical+bone:+age,+physical,+and+material+heterogeneity+effects.">Fatigue strength of human cortical bone: age, physical, and material heterogeneity effects.</a> J of Biomed Mat Res Part A. 86 (3), 627-636 (2008).</li><li>Linde, F., S&#248;rensen, H. C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+different+storage+methods+on+the+mechanical+properties+of+trabecular+bone.">The effect of different storage methods on the mechanical properties of trabecular bone.</a> J of Biomech. 26 (10), 1249-1252 (1993).</li><li>Zioupos, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accumulation+of+in-vivo+fatigue+microdamage+and+its+relation+to+biomechanical+properties+in+ageing+human+cortical+bone.">Accumulation of in-vivo fatigue microdamage and its relation to biomechanical properties in ageing human cortical bone.</a> J of Microscopy. 201 (2), 270-278 (2001).</li><li>Yan, J., Clifton, K. B., Mecholsky, J. J., Reep, R. 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P., Yu, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-uniqueness+of+cohesive-crack+stress-separation+law+of+human+and+bovine+bones+and+remedy+by+size+effect+tests.">Non-uniqueness of cohesive-crack stress-separation law of human and bovine bones and remedy by size effect tests.</a> Intrnl J of Frac. 181 (1), 67-81 (2013).</li><li>Bazant, Z. P., Planas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. 16, (1997).</li></ol>

Mikro Kratztests induzieren eine mixed-Mode-Fraktur-3. Darüber hinaus werden in den kurzen längs bovine Kortikalis Proben Bruchvorgänge aktiviert, wie die Sonde tiefer gräbt. Für einen 3 mm langen Kratzer ist der prismatischen Band sondiert rund 3.600 µm lang und 600 µm breite 480 µm Tiefe. Diese große Menge half bei der Vorhersage einer homogenisierten Antwort. Eine nicht-lineare Fraktur Mechanik Modell konnten wir extrahieren die Bruchfestigkeit, basierend auf der J-integrale B...

In dieser Studie messen wir die Bruchzähigkeit von Rindern kompakten Knochen aus der mesoskaligen (Osteons), Microscale (lamellare Ebene) über eine neuartige Mikro-Kratzer-Technik1,2,3,4, 5. Bruchvorgänge einschließlich Rissausbreitung Initiierung und Riss im Knochen sind Längenskalen aufgrund der unterschiedlichen strukturellen Bestandteile und Organisation auf verschiedenen Ebenen der Hierarchie direkt beeinflusst. Daher unbedingt Beurteilung Knochenbruch bei kleineren Längenskalen nachgeben ein grundlegendes Verständnis der Knochenbrüchigkeit. Auf der einen Seite konventionelle Prüfungen wie z. B. die drei-Punkt-Biegung, kompakte Spannung und Biegung Untersuchungen sind häufig auf bovine Femur und Tibia zur Charakterisierung der Fraktur im makroskopischen Maßstab6,7, 8. auf der anderen Seite um die Bruchzähigkeit auf der mikroskopischen Skala zu messen, Vickerss Einrückung Fraktur vorgeschlagene9war. Mikro Einzug erfolgte mittels der Vickers Eindringkörpers radiale Risse erzeugen. Darüber hinaus erfolgte die Oliver Pharr Nanoindentation Fraktur Zähigkeit Methode mittels eine scharfe Cube Ecke Eindringkörpers10.
In den oben genannten Nanoindentation basierte Fraktur Zähigkeit Studien die Längen der so erzeugten Risse wurden vom Beobachter gemessen und eine semi-empirische Modell wurde verwendet, um die Bruchzähigkeit berechnen. Aber diese Methoden sind nachvollziehbar, subjektiv, und die Ergebnisse sind stark abhängig von der Fähigkeit des Beobachters wegen der Notwendigkeit, die Riss-Längen mit optischen Mikroskopie oder Rasterelektronenmikroskopie messen. Darüber hinaus Scratch-Tests wurden durchgeführt im Nano-Maßstab, aber die zugrunde liegenden mathematischen Modells ist nicht Physik-basiertes wie es nicht die Verringerung der Stärke durch Risse berücksichtigt und11 Defekte. So existiert eine Wissenslücke: eine Methode zur Beurteilung der Fraktur auf mikroskopischer Ebene basierend auf einem Physik-basiertes mechanistischen Modell. Diese Wissenslücke motiviert die Anwendung von Mikro-Kratzer-Tests um Knochen zu komprimieren, indem Sie zuerst auf porcinen Exemplare5. Die Studie hat jetzt erweitert um bovinen kortikalen Knochen zu verstehen.
Zwei verschiedene Ausrichtungen der Exemplare sind möglich: längs-quer und kurzen längs. Längs-quer entspricht Eigenschaften senkrecht zur Längsachse des Femur Fraktur. In der Erwägung, kurze längs-entspricht der Fraktur Eigenschaften entlang der Längsachse des Femur-5. In dieser Studie wenden wir kratzen Tests an bovinen kortikalen Knochen Bruchfestigkeit der Knochen in Längsrichtung kurz zu charakterisieren.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Table Top Diamond Band Saw</td>
			<td>McMaster Carr, Elmhurst, IL</td>
			<td>Model&#160; C-40</td>
			<td>Blade speed of 40 mph; Blade dimensions: 37 inch in diameter, 0.02 inch wide and 0.14 inch deep</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buehler Isomet 5000 Precision Cutter</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>112780</td>
			<td>Blade speed in the range of 200-5000 rpm in 50 rpm incrments; 8 inch diamond wafering blade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Branson 5800 Ultrasonic Cleanser</td>
			<td>(Through) Grainger, Peoria, Illinois</td>
			<td>39J365</td>
			<td>Bransonic CPXH ultrasonic bath has a tank capacity of 2.5 gal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buehler Ecomet 250 Grinder - Polisher</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>497250</td>
			<td>8 inch base plate with a speed range from 10-500 rpm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anton Paar, CSM Instruments Micro scratch tester</td>
			<td>Anton Paar Switzerland AG</td>
			<td>163251</td>
			<td>Compact Platform, Acoutstic Emission Sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>JEOL 6060LV general purpose scanning electron microscope</td>
			<td>JEOL USA, Inc., Peabody, MA</td>
			<td></td>
			<td>Environmental scanning electron microscope which enables imaging at low vacuum levels.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Philips XL30 ESEM FEG&#160;</td>
			<td>FEI Company</td>
			<td></td>
			<td>Wet mode working of the instrument enables imaging of non conductive samples without altering them&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Consumables</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovine Femur</td>
			<td>L&#38;M Slaughter house, Georgetown, IL</td>
			<td></td>
			<td>Corn fed, 24-30 month old mature bovine specimens.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alconox Powdered Precision Cleaner</td>
			<td>Alconox, Inc., 30 Glenn St., Ste. 309, White Plains, NY, 10603</td>
			<td>1104-1</td>
			<td>Biodegradable, Non caustic, Interfering-residue free</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylic Plastic Casting</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>24210-02</td>
			<td>Polymethyl Methacrylate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CarbiMet SiC Abrasive Paper 400 grit, 8 inch, PSA backed</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>36080400</td>
			<td>Grinding - Abrasive Papers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CarbiMet SiC Abrasive Paper 600 grit, 8 inch, PSA backed</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>36080600</td>
			<td>Grinding - Abrasive Papers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backed</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>36080800</td>
			<td>Grinding - Abrasive Papers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MicroCut Discs 800 grit, 8 inch, PSA backed</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>16081200</td>
			<td>Grinding - Abrasive Papers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Texmet P For 8&#39;&#39; Wheel PSA</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>407638</td>
			<td>Polishing Cloth</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8&#39;&#39; Microcloth PSA</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>407518</td>
			<td>Polishing Cloth</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 3 &#181;m</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>406631</td>
			<td>Polishing suspension</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 1 &#181;m</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>406630</td>
			<td>Polishing suspension</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meta Di Supreme Polycrystalline Diamond Suspension, 0.25 &#181;m</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>406629</td>
			<td>Polishing suspension</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MasterPrep Polishing Suspension, 0.05&#181;m</td>
			<td>Buehler,41 Waukegan Rd, Lake Bluff, IL 60044</td>
			<td>40-6377-032</td>
			<td>Polishing suspension</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HBSS, calcium, magnesium, no phenol red</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>14025126</td>
			<td>Buffer Solution</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fragility assessment of bovine cortical bone using scratch tests

Knochen ist ein komplexes hierarchisches Material mit fünf verschiedenen Ebenen der Organisation. Faktoren wie Alterung und Krankheiten wie Osteoporose erhöhen die Fragilität der Knochen, so dass es anfällig für Frakturen. Aufgrund der großen sozio-ökonomischen Auswirkungen von Knochenbrüchen in unserer Gesellschaft gibt es eine Notwendigkeit für neuartige Möglichkeiten zur Beurteilung der mechanischen Leistung jeder Hierarchiestufe des Knochens. Obwohl Steifigkeit und Festigkeit auf allen Skalen – Nano-, Mikro-, Meso-, sondiert können und makroskopischen – Fraktur Bewertung bisher worden zu makroskopischen Prüfung beschränkt hat. Diese Einschränkung schränkt unser Verständnis von Knochenbrüchen und schränkt den Anwendungsbereich der Labor- und klinische Studien. In dieser Studie untersuchen wir die Bruchfestigkeit des Knochens aus der mikroskopischen auf der mesoskopischen Längenskalen mit Mikro Scratch-Tests kombiniert mit nichtlinearen Bruchmechanik. Die Tests sind in der kurzen längs Ausrichtung auf bovine Kortikalis Proben durchgeführt. Ein sorgfältige experimentelle Protokoll entwickelt und eine große Anzahl (102) von Tests werden durchgeführt, um die Bruchzähigkeit der Kortikalis Exemplare unter Berücksichtigung der Heterogenität zugeordnet Knochen Mikrostruktur zu beurteilen.

Rasterkraftmikroskopie wurde verwendet, um die Rauheit der polierten Oberfläche zu messen. Als Faustregel gilt qualifiziert das Exemplar als eine gut polierte, wenn die Rauheit der Oberfläche eine Größenordnung kleiner als die Oberflächen-Features von Interesse ist. In diesem Fall die gemessenen Oberflächenrauhigkeit von 60 nm 40 µm, 40 µm großflächig fällt eindeutig unter dieses Kriterium.
Abbild...

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Fragility Assessment of Bovine Cortical Bone Using Scratch Tests

Zerbrechlichkeit Bewertung der bovinen kortikalen Knochen mit Kratztests

Diese Studie bewertet die Bruchzähigkeit von bovinen kortikalen Knochen auf Sub-Meso-Ebene mit mikroskopischen Kratztests. Dies ist ein original, Ziel, streng, und reproduzierbare Methode vorgeschlagen, Bruchzähigkeit unterhalb der makroskopischen Skala zu erforschen. Anwendungsmöglichkeiten sind Änderungen in Knochenbrüchigkeit aufgrund von Krankheiten wie Osteoporose studieren.

Bone is a complex hierarchical material with five distinct levels of organization. Factors like aging and diseases like osteoporosis increase the ...

Research

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Bioengineering

Preparation of Intact Bovine Tail Intervertebral Discs for Organ Culture

Vorbereitung von Intact Bovine Rute Bandscheiben für Orgel Kultur

The intervertebral disc (IVD) is the joint of the spine connecting  vertebra to vertebra. It functions to transmit loading of the spine and give  ...

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In Vivo Quantitative Assessment of Myocardial Structure, Function, Perfusion and Viability Using Cardiac Micro-computed Tomography

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The use of Micro-Computed Tomography (MicroCT) for in vivo studies of small animals as models of human disease has risen tremendously due to the fact that ...

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