Name: fragility assessment of bovine cortical bone using scratch tests
Uploaded: 2017-11-30T13:00:00
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이 작품은 학과 토목 및 환경 공학 어바나 샴페인 일리노이 대학에서 공학 대학 지원 되었다. 우리는 Kavya Mendu의 대학원 연구를 지원 하기 위한 Ravindra Kinra와 위베 Kinra 친목을 인정 합니다. 스캐닝 전자 현미경 조사 프레드릭 Seitz 소재 연구소와 일리노이 대학 어바나 샴페인에 베크만 연구소의 시설에서 실시 됐다.

참고: 여기서 설명 하는 프로토콜 일리노이 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 동물 보호 지침을 따릅니다.
1. 견본 조달
<ol><li>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 되?...

<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>

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 계산1,,<sup cla...

이 연구에서 우리는 새로운 마이크로 스크래치 기법1,2,3,4,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 규모6,7, 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.

<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

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.

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?...

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Fragility Assessment of Bovine Cortical Bone Using Scratch Tests

스크래치 테스트를 사용 하 여 소 피 질 골의 취약성 평가

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.

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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