Name: fragility assessment of bovine cortical bone using scratch tests
Uploaded: 2017-11-30T13:00:00
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Questo lavoro è stato supportato dal dipartimento di civile e ingegneria per l'ambiente e il College of Engineering all'Università dell'Illinois a Urbana Champaign. Riconosciamo il Ravindra Kinra e Kavita Guido Fellowship per sostenere gli studi universitari di Kavya Mendu. Indagini di microscopia elettronica di scansione è stata effettuata presso le strutture del laboratorio di ricerca materiale di Frederick Seitz e Beckman Institute presso l'Università dell'Illinois a Urbana Champaign.

Nota: Il protocollo descritto qui, segue le indicazioni di cura degli animali del Comitato uso e Illinois istituzionale Animal Care.
1. campione appalti
<ol><li>Raccogliere i femori bovina appena raccolti da un Stati Uniti Dipartimento di agricoltura USDA certificata macello e trasportarli in sacchetti di plastica ermetici in un secchiello. Nota: Per lo studio condotto qui, femori sono stati raccolti da animali che sono stati 24-30 mesi vecchi, Campagnolo e pesati circa 1.000 - 1.100 libb...

<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. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fracture+toughness+of+manatee+rib+and+bovine+femur+using+a+chevron-notched+beam+test.">Fracture toughness of manatee rib and bovine femur using a chevron-notched beam test.</a> J of Biomech. 39 (6), 1066-1074 (2006).</li><li>Xu, J., Rho, J. Y., Mishra, S. R., Fan, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+force+microscopy+and+nanoindentation+characterization+of+human+lamellar+bone+prepared+by+microtome+sectioning+and+mechanical+polishing+technique.">Atomic force microscopy and nanoindentation characterization of human lamellar bone prepared by microtome sectioning and mechanical polishing technique.</a> J of Biomed Mat ResPart A. 67 (3), 719-726 (2003).</li><li>Yan, J., Mecholsky, J. J., Clifton, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+tough+is+bone?+Application+of+elastic–plastic+fracture+mechanics+to+bone.">How tough is bone? Application of elastic–plastic fracture mechanics to bone.</a> Bone. 40 (2), 479-484 (2007).</li><li>Ritchie, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+conflicts+between+strength+and+toughness.">The conflicts between strength and toughness.</a> Nat Mater. 10 (11), 817-822 (2011).</li><li>Kim, K. T., Ba&#382;ant, Z. 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>

Micro scratch test indurre una frattura misto3. Inoltre, negli esemplari dell'osso corticale bovino longitudinale breve, processi di frattura sono attivati come la sonda scava più a fondo. Per un graffio lungo di 3 mm, il volume prismatico sondato è profondo circa 3.600 µm lungo, 600 µm di larghezza e 480 µm. Questo grande volume ha aiutato nel predire una risposta omogeneizzata. Un modello di meccanica della frattura non lineare ci ha permesso di estrarre la resistenza alla frattura basato s...

In questo studio, misuriamo la tenacità alla frattura dell'osso compatto bovina da mesoscala (osteoni) a Microscala (livello lamellare) utilizzando una tecnica novella di gratta e Vinci micro1,2,3,4, 5. Processi di frattura tra cui propagazione di iniziazione e crepa crepa nell'osso sono direttamente influenzati dalla scala di lunghezza a causa della diverse costituenti strutturali e organizzazione a diversi livelli della gerarchia. Pertanto, frattura di osso alle più piccole scale di lunghezza di valutazione è essenziale per producendo una comprensione fondamentale di fragilità ossea. Da un lato, compatto prove convenzionali come la tre-punto di flessione, tensione e prove di flessione sono comunemente eseguite su bovina femore e tibia per la caratterizzazione di frattura alla scala macroscopica6,7, 8. d'altra parte, per misurare la tenacità alla frattura alla scala microscopica, frattura di rientro di Vicker era proposto9. Indentazione micro è stato effettuato usando il penetratore di Vicker per generare crepe radiali. Inoltre, il metodo di tenacità di Oliver Pharr nanoindentazione frattura è stato effettuato usando un cubo taglienti angolo penetratore10.
Negli studi di durezza di frattura nanoindentazione basato sopra, le lunghezze delle crepe così generate sono state misurate dall'osservatore e un modello semi-empirico è stato utilizzato per calcolare la tenacità alla frattura. Tuttavia, questi metodi sono irriproducibili, soggettiva, e i risultati sono fortemente dipendenti dalle abilità dell'osservatore a causa della necessità di misurare le lunghezze crepa usando microscopia ottica o microscopia elettronica a scansione. Inoltre, scratch test sono stati condotti a scala nanometrica, ma il sottostante modello matematico non è basato sulla fisica che non tiene conto per la riduzione della forza a causa di crepe e difetti11. Così, esiste un gap di conoscenza: un metodo per la valutazione di frattura a livello microscopico basato su un modello meccanicistico basato sulla fisica. Questa lacuna di conoscenza ha motivato l'applicazione di micro scratch test per compattare osso concentrandosi sulla suina esemplari5prima. Lo studio ora è stato ulteriormente esteso per comprendere bovino dell'osso corticale.
Due differenti orientamenti degli esemplari sono possibili: longitudinale trasversale e breve longitudinale. Longitudinale trasversale corrisponde alla frattura proprietà perpendicolare all'asse longitudinale del femore. Considerando che, in breve longitudinale corrisponde alle proprietà frattura lungo l'asse longitudinale del femore5. In questo studio, applichiamo scratch test da ossa di bovini corticale per caratterizzare la resistenza di frattura di osso in senso longitudinale, breve.

<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

L'osso è un complesso materiale gerarchico con cinque distinti livelli di organizzazione. Fattori come l'invecchiamento e le malattie come l'osteoporosi aumentano la fragilità dell'osso, che lo rende soggetto a frattura. A causa del grande impatto socio-economico di frattura ossea nella nostra società, c'è bisogno di nuovi modi per valutare le prestazioni meccaniche di ogni livello gerarchico dell'osso. Anche se può essere sondati rigidezza e resistenza a tutte le scale – nano-, micro-, meso-, e macroscopico – valutazione frattura finora è stata limitata alla prova macroscopica. Questa limitazione limita la nostra comprensione di fratture ossee e vincola l'ambito di laboratorio e studi clinici. In questa ricerca, studiamo la resistenza alla frattura dell'osso da microscopico per le scale di lunghezza mesoscopiche utilizzando micro scratch test combinato con meccanica della frattura non lineare. I test vengono eseguiti in breve orientamento longitudinale sugli esemplari di bovino dell'osso corticale. È stato sviluppato un protocollo sperimentale meticoloso e un gran numero (102) di test sono condotti per valutare la tenacità alla frattura degli esemplari di osso corticale rappresentail l'eterogeneità associata con microstruttura dell'osso.

Microscopia a forza atomica fu utilizzata per misurare la rugosità della superficie lucidata. Come regola generale, il campione si qualifica come un ben lucidato uno se la rugosità è un ordine di grandezza più piccoli rispetto alla superficie di interesse. In questo caso, la rugosità di superficie misurata di 60 nm su una area di µm 40 µm x 40 rientra chiaramente questo criterio.
Figura 4 Mos...

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Fragility Assessment of Bovine Cortical Bone Using Scratch Tests

Valutazione di fragilità dell'osso corticale bovino utilizzando Scratch test

Questo studio valuta la tenacità alla frattura dell'osso corticale bovino a livello sub-meso utilizzando test graffi microscopici. Si tratta di un obiettivo originale, rigoroso, e riproducibile metodo proposto sondare la tenacità a frattura sotto la scala macroscopica. Potenziali applicazioni stanno studiando modifiche nella fragilità ossea a causa di malattie come l'osteoporosi.

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

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