Nanoscale Analyse und Nanoindentation Verwendet, um die Effekte der Osteoporose und Seiner Behandlungen auf Knochen-Gewebe-Qualität Zu Studieren durch CSM-Instrumente

Themen Umfaßt

Hintergrund

Nanoscale-Analyse

Nanoindentations-Analyse

Bestimmende Faktoren der Knochen-Stärke

Ergebnisse

Variante von Nanomechanical-Eigenschaften in den Vertebralen Gehäuse-Rinden

Effekt des Protein-Einlasses auf Nanomechanical-Eigenschaften

Makroskopische Mechanische Ergebnisse Gegen Nanomechanical-Gewebe-Eigenschaften und Knochen-Mineral-Masse

Schlussfolgerung

Quittungen

Hintergrund

Knochenregeneration stellt eine bedeutende Herausforderung orthopädischer Medizin dar. Gängige Methoden für die Behandlung des enormen Knochenverlustes sind im Wesentlichen von den künstlichen Prothesen abhängig. Prothesen können nicht der Gebrauch wegen der Beschränkung von Bewegungs- und biocompatibilitypunkten auf jeden Fall sein. Ähnlich kann die Prothese und Ergebnis im Funktionsverlust und vielleicht in der Morbidität langfristig ausfallen.

Nanoscale-Analyse

Neue nanoscale Analyse, die in den Knochen angewendet werden und andere mineralisierte biologische Materialien aktivieren ein neues Fenster in die feinen Details des mechanischen Verhaltens extrem an den kleinen Maßstäben. Mikro- und makroskopische Analyse, die Durchschnitt berechnete Mengen über größeren Längenschuppen erbringen, ist möglicherweise nicht genug empfindlich, die zugrunde liegenden Unterschiede zwischen zwei ähnlichen Proben zu kennzeichnen. Folglich sind nanoscale Studien für die entschlossene Kennzeichnung dieser komplexen Materialien wünschenswert. Darüber hinaus sind nanoscale Verfahrene nützlich, wenn das Volumen des Materials erhältlich für Analysen der größeren Schuppe, zum Beispiel mit Gewebe ausgeführter Knochenentstehung in den kritisch-groß Defekten und in den Rattenbaumustern zu klein ist. Die Genauigkeit von den biomechanischen Eigenschaften, die unter Verwendung der traditionellen Technikträgertheorie angewendet wird an Biegeversuchen des ganzen Knochens auf Mäuseknochen verringert werden, ist auch in Frage gestellt worden.

Nanoindentations-Analyse

Nanoindentations-Analyse haben Unterschiede zwischen kortikalem und trabecular Knochen, Anisotrophie, zeitabhängige Plastizität, Varianten als Funktion des Abstandes vom osteonal zentrieren durch die Schenkelrinde fokussiert, die Viskoelastizität und die Varianten wegen des Mineralgehaltes.

Um die Rolle der tatsächlichen Knochengewebequalität in der Knochenstärke auszuwerten, wurde eine nanoindentation Prüfung auf dem Niveau der vertebralen Rinde der erwachsenen Ratten nach den verschiedenen diätetischen und hormonalen Manipulationen durchgeführt, die bekannt sind um Knochenstärke eines intakten skelettartigen Stückes deutlich zu beeinflussen.

Die nanoindentation Technik schätzt Härte und Elastizität des trockenen und nassen Knochengewebes mit einer hohen Ortsauflösung ein. Nanoindentation ist auch eine zuverlässige Methode gewesen worden, zum der tatsächlichen mechanischen Eigenschaften der einzelnen Knochenstruktureinheiten einzuschätzen (BSU). Die lokalen elastischen Eigenschaften von Knochenstruktureinheiten wurden gefunden, um unter Einzelpersonen, anatomischen Einbauorten, dem Baumuster des Knochens (interstitielles, osteonal und trabecular) und trabecular Orientierung beträchtlich zu schwanken.

Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung zeigen an, dass außer Geometrie und microarchitecture, tatsächliches Knochengewebeeigentum ein wichtiger bestimmender Faktor der mechanischen Kompetenz der Rattenwirbel nach diätetischer OVX-Behandlung und schwach proteinhaltigem Einlass ist.

Abbildung 1.

Nanoindentation stellt eine Prüfung der tatsächlichen mechanischen Eigenschaften des Knochengewebes dar. Diese Technik erwirbt Kraftdistanzadresse Daten einer Pyramidendiamantzahnwalze, die in ein Material gedrückt wird. Fig. 1 zeigt die resultierende Kurve, die aus drei Teilen besteht. In Teil 1, wird die Zahnwalzenspitze auf die Probe belastet, die Ergebnisse in einer komplexen Kombination der Gummiband- und Postenertragdeformation.

An der maximalen Kraft ist die Belastung angehaltenes konstantes Führen zu Ausdehnung des Materials unterhalb der Spitze. Wenn die Kraft auf der Spitze freigegeben wird, wird die elastische Antwort des Materials entdeckt (Teil 3). Die Steigung im Augenblick des Anfangsaus dem Programm nehmens wird betrachtet, die elastischen Eigenschaften der Probe zu berechnen. Die aus dem Programm nehmende Steigung hat mit:

(equ 1)

ein direktes Verhältnis zum Kontaktgebiet WS (hmax

(equ.2)

Der erste Bruch wird als der Einrückungsmodul definiert und berechnet von den bekannten Eigenschaften der Zahnwalzenspitze und des verringerten Moduls. Die Einrückungsmodulmähdrescher mit

(equ 3)

das lokale Elastizitätsmodul und das Poisson-Verhältnis des Probenmaterials und stellt den ersten Parameter von Zinsen an diesem Papier dar. Das Verhältnis der maximalen Kraft und des Kontaktgebiets liefert einen zweiten mechanischen Parameter, Härte:

(equ 4)

Härte kann als Mitteldruck geübersetzt werden, den das Material widerstehen kann.

Eine dritte Ausgabe des Einrückungsexperimentes wurde d.h. der Bereich der Hysterese berücksichtigt (sehen Sie Feige. 1). Dieser Parameter hat die Abmessung der mechanischen Arbeit und stellt die Energie dar, die während der Einrückungsprüfung zerstreut wird.

Abbildung 2.

Für die nanoindentation Prüfungen das L5

Die mechanischen Prüfungen umfaßten 9 Einzüge auf dem kortikalen Shell jedes vertebralen Gehäuses, 3 Einzüge am Hinterteil, drei am Seitenteil und drei weiter auf der vorhergehenden Site. Auf jeder Site wurden drei Einzüge auf periosteal, die Zentrale getan, und der endosteal Einbauort der Knochengrundmasse (Fig. 3a) die Einzüge wurden zu 900 maximaler Tiefe nm ausgeführt, die eine ungefähre Spannungskinetik von ε = 0,066 1/s für beide Be- und Entladung anwendet. Am Höchstlast ein 5 s-Haltezeit wurde beschäftigt. Die Grenze auf den maximal zulässigen thermischen Antrieb wurde auf 0,1 nm/s. festgesetzt. Die Einzüge wurden in der Mitte der Lamellen durchgeführt; Einzüge am Rand von zwei Lamellen wurden ausgeschlossen. In der vorliegenden Untersuchung nur kortikaler Knochen wurde geprüft, da bedeutende Alterung und Zerstörung der trabecular Zelle in OVX-Ratten führten eine schwach proteinhaltige Diät beobachtet wurden.

Abbildung 3a.

Abbildung 3b.

Bestimmende Faktoren der Knochen-Stärke

·         Aufteilung 3D

·         Geometrie

·         Microarchitecture

·         Menge Material

·         Materielle Qualität

·         Mineralisierung

·         Grundmasse

·         Einteilung

Ergebnisse

Variante von Nanomechanical-Eigenschaften in den Vertebralen Gehäuse-Rinden

Die Uneinheitlichkeit von den nanomechanical Eigenschaften, die in den verschiedenen Sites der vertebralen Gehäuserinde gemessen wurden, (das heißt, vorhergehend, hinter und Seitenteil) wurde zuerst in Bediengerätetiere ausgewertet. Für alle drei mechanische Parameter (Einrückungsmodul, Härte und die ausschweifende Energie) niedrigere wurden Werte auf der vorhergehenden Site entdeckt.

Ein bidirektionales ANOVA führte mit Einbauort und Site als örtlich festgelegte Effekte durch, gezeigt, dass Site für alle diese drei mechanischen Parameter in hohem Grade beträchtlich war (P < 0,0001). Einbauort (periosteal, endosteal oder zentral) war andererseits nicht beträchtlich (P > 0,6).

Effekt des Protein-Einlasses auf Nanomechanical-Eigenschaften

Der Einfluss der isokalorischen Proteinunterernährung und der Ergänzungen der essenziellen Aminosäuren wurde dann eingeschätzt.

Dreiwege-ANOVA für den Einrückungsmodul, der die komplette Datei betrachtet, zeigte wieder hohe globale Stichhaltigkeit für die Site (vorhergehend, seitlich, hinter) (P <0.001). Der Faktoreinbauort (periosteal, endosteal, zentral) war gemäßigt beträchtlich (P = 0,029), und Behandlung war nicht global beträchtlich (P = 0,65). Jedoch war die Interaktion zwischen Behandlung und Site zum Signifikanzniveau nah (P = 0,06). Dieses führte uns, eine einzelne statistische Auswertung für jede der drei Sites anzuwenden.

bidirektionales ANOVAs wurden mit Behandlung und Einbauort als örtlich festgelegte Effekte durchgeführt. Der Einfluss der Behandlung war nicht beträchtlich (P > 0,1). Demgegenüber war der Faktoreinbauort für die vorhergehende Site (P = 0,013) und für die hintere Site (P = 0,0002) beträchtlich, aber nicht beträchtlich für die seitliche Site (P = 0,2). Die Nano--mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Einbauorte werden separat dargestellt (Feige. 4). Vergleich zwischen den Behandlungsgruppen war für alle Einbauorte erfolgt. nachträglich stellte Analyse dar, dass beträchtliche Abnahmen von Nano--mechanischen Eigenschaften (P < 0,05) am endosteal Einbauort an OVX-Ratten die schwach proteinhaltige Diät verglichen mit TÄUSCHUNG führten. Dieser Unterschied war für alle drei nanomechanical Parameter nachweisbar.

Auf dem zentralen Teil des hinteren Gipfels, wurde Härte und ausschweifende Energie beträchtlich (P = 0,02 und P = 0,03, beziehungsweise) in Erwiderung auf Ovariectomy und die schwach proteinhaltige Diät verringert. Im periosteal Einbauort wurden beträchtliche Änderung von elastischen Eigenschaften und Energiedissipation zwischen TÄUSCHUNGS- und OVX-Ratten mit der schwach proteinhaltigen Diät auch entdeckt (P = 0,01 und P = 0,02, beziehungsweise).

Die positive Tendenz von Ergänzungen der essenziellen Aminosäuren auf Einrückungsmodul und ausschweifender Energie war nicht (P < 0,1) am endosteal Einbauort beträchtlich. Es gab auch eine Tendenz für einen Effekt von Ergänzungen der essenziellen Aminosäuren auf Härte am zentralen Einbauort (Pb < 0,1). Für Einrückungsmodul am periosteal Einbauort, waren die Effekte von Ergänzungen der essenziellen Aminosäure fast beträchtlich (P = 0,06).

Makroskopische Mechanische Ergebnisse Gegen Nanomechanical-Gewebe-Eigenschaften und Knochen-Mineral-Masse

Für die Wechselbeziehung zwischen nanomechanical Daten und makroskopischen Prüfungen, die durch axiale Drucklufterzeugung des vertebralen Gehäuses [2] erhalten wurden, wurde die Mittelwert des Härte- und Einrückungsmoduls und die zerstreute Energie jeder Ratte verwendet (Feige. 5). Makroskopische Energie zum Versagen zeigte eine Wechselbeziehung (R = 0,6) mit der ausschweifenden Energie der Einrückungsprüfung. Die Makroskopische Bruchfestigkeit, die gemäßigt mit Härte aufeinander bezogen wurde (R = 0,27) und Steifheit zeigte keine Wechselbeziehung mit den tatsächlichen elastischen Eigenschaften.

Abbildung 5.

Vergleich zwischen axialer Drucklufterzeugung (alte makroskopische Methode) und Nano--Einrückung (Neue nanometric Methode) sind tadellos zuverlässig aber das nanoindentation geben mehr Auswirkungen auf Gewebeverhalten an der niedrigen Schuppe.

Abbildung 6.

Schlussfolgerung

Die vorliegende Untersuchung zeigte eine Uneinheitlichkeit von tatsächlichen Knochengewebeeigenschaften des vertebralen Gehäuses der Ratte, das in Bezug auf einen Proteineinlaß schwankte. Der Schwach proteinhaltige Einlass, der mit dem Ovariectomy, zusammengepaßt mit Ergänzungen der essenziellen Aminosäuren verbunden ist, verringerte die nanomechanical Werte. Diese Ergebnisse unterstreichen die Kapazität der nanoindentation Technik, die Änderungen zu entdecken, die durch die Ernährungs- und hormonalen Manipulationen verursacht werden.

Wechselbeziehungen zwischen makroskopischen mechanischen Ergebnissen, wie durch axiale Drucklufterzeugung des vertebralen Gehäuses eingeschätzt und nanomechanical Gewebeeigenschaften schlagen vor, dass makroskopisches postelastic Verhalten stark mit der materiellen Zerbrechlichkeit schwankte, die auf der Gewebestufe entdeckt wurde. Makroskopische Steifheit jedoch wurde durch Knochengeometrieänderungen und -kleiner durch Varianten von Gewebeeigenschaften beherrscht, wie nanoindentation aufdeckt. Andere mineralisierte biologische Materialien wie Dentin, Decklack und verkalkter Knorpel konnten durch die nanoindentation Technik studiert werden.

Quittungen

Die Autoren danken Dr. Patrick Ammann vom Service von Knochen-Krankheiten [Zusammenarbeitende Mitte WHO für Osteoporose-Verhinderung], von der Abteilung der Rehabilitation und von der Geriatrie, 7 HochschulKrankenhaus, Genf, die Schweiz für den Gebrauch seines kompletten Studien Papiers: Entbeinen Sie ISSN 8756-3282 2005, Vol. 36, NO1, S. 134-141 [8 Seiten (Artikel)] (28 Bezüge)

Quelle: CSM-Instrumente

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte CSM-Instrumente

Date Added: Jun 25, 2007 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 14:53

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