Name: fragility assessment of bovine cortical bone using scratch tests
Uploaded: 2017-11-30T13:00:00
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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。

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
<ol><li>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?...

<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>

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?...

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。

<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

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。

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?...

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Fragility Assessment of Bovine Cortical Bone Using Scratch Tests

スクラッチ テストによるウシ皮質骨の脆弱性評価

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。

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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スクラッチテストによるウシ皮質骨の脆弱性評価