Name: fragility assessment of bovine cortical bone using scratch tests
Uploaded: 2017-11-30T13:00:00
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Este trabalho foi financiado pelo departamento de Civil e engenharia ambiental e da faculdade de engenharia da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Reconhecemos a Ravindra Kinra e Kavita Kinra Fellowship para apoio a pós-graduação de Kavya Mendu. Investigação de microscopia eletrônica de varredura foi realizada nas instalações do laboratório de pesquisa de Material Frederick Seitz e Beckman Institute na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

Nota: O protocolo descrito aqui, segue as diretrizes de cuidados com animais do Comité de uso e cuidados de Animal institucionais de Illinois.
1. o modelo contratos
<ol><li>Coletar recém-colhidas fêmures bovina de um departamento de Estados Unidos de agricultura USDA-certificada matadouro e transportá-los em sacos de plástico de ar apertado em um refrigerador. Nota: Para o estudo realizado aqui, fêmures foram coletadas de animais que foram 24 a 30 meses, alimentado com milho e pesav...

<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>

Testes de zero micro induzir uma fratura de modo misto3. Além disso, nas amostras curtas longitudinais osso cortical bovino, processos de fratura são ativados como a sonda cava mais fundo. Para um arranhão de longo de 3 mm, o volume prismático sondado é cerca de 3.600 µm de comprimento, 600 µm de largura e 480 µm profundo. Este grande volume ajudou em prever uma resposta homogeneizada. Um modelo de mecânica de fratura não-linear permitiu-nos extrair a resistência da fratura baseada o <e...

Neste estudo, podemos medir a tenacidade à fratura de osso compacto bovino na mesoescala (osteomas) para a microescala (nível lamelar) usando uma nova técnica de zero micro1,2,3,4, 5. Processos de fratura incluindo propagação iniciação e crack no osso sejam diretamente influenciados pelas escalas de comprimento devido a diferentes componentes estruturais e organização em diferentes níveis de hierarquia. Portanto, avaliar a fratura óssea em menores escalas de comprimento é essencial rendendo um entendimento fundamental de fragilidade óssea. Por um lado, compacto de testes convencionais, tais como três pontos de flexão, tensão, e testes de flexão são comumente realizadas em bovino fêmur e tíbia para caracterização de fratura em escala macroscópica6,7, 8. por outro lado, para medir a tenacidade à fratura em escala microscópica, fratura de recuo do Vicker foi proposto9. Micro recuo foi executado usando do indenter da Vicker para gerar rachaduras radiais. Além disso, o método de dureza Oliver Pharr nanoindentação fratura foi realizado usando um cubo afiada canto do indenter10.
Os estudos de resistência de fratura nanoindentação baseado acima, os comprimentos das fissuras gerados foram medidos pelo observador e um modelo semi-empíricos foi utilizado para calcular a tenacidade à fratura. No entanto, esses métodos são reprodutíveis, subjetivo, e os resultados são altamente dependentes da habilidade do observador, devido à necessidade de medir os comprimentos de rachadura usando microscopia ótica ou microscopia eletrônica. Além disso, zero testes foram conduzidos em escala nanométrica, mas o modelo matemático subjacente não é baseado em física que não leva em conta a redução da resistência devido a rachaduras e defeitos11. Assim, existe uma lacuna de conhecimento: um método para avaliação de fratura em nível microscópico com base em um modelo mecanicista baseado em física. Esta lacuna de conhecimento motivado a aplicação de micro arranhão testes para compactar osso focando primeiro espécimes suínos5. O estudo foi ainda mais estendido agora para entender o osso cortical bovino.
Duas orientações diferentes dos espécimes são possíveis: transversal longitudinal e a curta distância longitudinal. Longitudinal transversal corresponde a fratura Propriedades perpendiculares ao eixo longitudinal do fêmur. Considerando que, a curto, longitudinal corresponde às propriedades fratura ao longo do eixo longitudinal do fêmur5. Neste estudo, aplicamos testes zero de ossos corticais bovina para caracterizar a resistência de fratura do osso no sentido longitudinal curta.

<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

Osso é um material complexo hierárquico com cinco níveis distintos de organização. Fatores como o envelhecimento e doenças como a osteoporose aumentam a fragilidade do osso, tornando-se sujeito a fratura. Devido ao grande impacto sócio-económico de fratura óssea na nossa sociedade, há uma necessidade de novas formas de avaliar o desempenho mecânico de cada nível hierárquico do osso. Embora a rigidez e resistência podem ser analisados em todas as escalas – nano, micro, meso-, e macroscópica – avaliação de fratura está até agora confinada aos ensaios macroscópicos. Essa limitação restringe a nossa compreensão de fratura óssea e restringe o escopo de laboratório e estudos clínicos. Nesta pesquisa, investigamos a resistência da fratura de osso do microscópico para as escalas de comprimento mesoscópica usando micro arranhão testes, combinadas com a mecânica da fratura linear. Os testes são realizados na orientação longitudinal curta em espécimes de osso cortical bovino. Um protocolo experimental meticuloso é desenvolvido e um grande número (102) de testes são realizados para avaliar a tenacidade à fratura de espécimes de osso cortical, enquanto a contabilidade para a heterogeneidade associada com a microestrutura do osso.

Microscopia de força atômica foi usada para medir a rugosidade da superfície polida. Como regra geral, o espécime qualifica-se como um bem polido se a aspereza de superfície é uma ordem de magnitude menor do que as características da superfície de interesse. Neste caso, a aspereza de superfície medida de 60 nm sobre uma área de µm 40 µm x 40 inscreve-se claramente este critério.
A Figura 4</stro...

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Fragility Assessment of Bovine Cortical Bone Using Scratch Tests

Avaliação da fragilidade do osso Cortical bovino, usando testes de zero

Este estudo avalia a tenacidade à fratura de osso cortical bovino a nível sub-meso usando exames microscópicos de zero. Este é um original, objetivo, rigoroso, e reprodutível método proposto para sondar a tenacidade à fratura abaixo a escala macroscópica. Potenciais aplicações estão a estudar alterações fragilidade óssea devido a doenças como a osteoporose.

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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Preparação de Intact Discos cauda bovina Intervertebral de Cultura de Órgãos

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