Αναγέννηση των οστών παρουσιάζει μια σημαντική πρόκληση για ορθοπεδική ιατρική. Οι τρέχουσες μέθοδοι για την αντιμετώπιση της μαζικής απώλειας οστού είναι ουσιαστικά εξαρτάται από την τεχνητή προθέσεων. Τεχνητά μέλη δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κάθε περίπτωση, λόγω του περιορισμού της κυκλοφορίας και τα θέματα βιοσυμβατότητα. Ομοίως, η πρόθεση μπορεί να αποτύχει σε μακροπρόθεσμη βάση και έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια της λειτουργίας και, ενδεχομένως, τη νοσηρότητα. Νανοκλίμακα Ανάλυση Νέα νανοκλίμακα ανάλυσης που εφαρμόζονται στα οστά και άλλες ανοργανοποιημένο βιολογικών υλικών επιτρέψει ένα νέο παράθυρο στο πρόστιμο λεπτομέρειες της μηχανικής συμπεριφοράς σε πολύ μικρές κλίμακες. Μικρο και μακροσκοπική ανάλυση, όπου η απόδοση κατά μέσο όρο ποσότητες πάνω από μεγαλύτερες κλίμακες μήκους, μπορεί να μην είναι αρκετά ευαίσθητη για να εντοπιστούν οι κύριες διαφορές μεταξύ των δύο παρόμοια δείγματα. Ως εκ τούτου, νανοκλίμακας μελέτες είναι επιθυμητές για την επίλυση χαρακτηρισμό αυτών των σύνθετων υλικών. Επιπλέον, νανοκλίμακας μεθοδολογίες είναι χρήσιμες, όταν ο όγκος του διαθέσιμου υλικού είναι πολύ μικρή για μεγαλύτερες αναλύσεις κλίμακα, για παράδειγμα με μηχανικής ιστών σχηματισμό των οστών σε κρίσιμες μεγέθους ελαττώματα και τα μοντέλα των αρουραίων. Η ακρίβεια της μηχανικές ιδιότητες μειώνονται με την παραδοσιακή θεωρία δέσμη μηχανικής που εφαρμόζεται σε όλη οστών δοκιμές σε κάμψη στα οστά ποντίκι έχει επίσης αμφισβητηθεί. Ανάλυση νανοσκληρομέτρησης Νανοσκληρομέτρησης ανάλυση έχουν επικεντρωθεί οι διαφορές μεταξύ του φλοιού και δοκιδώδους οστού, ανισοτροπία, την ώρα που εξαρτώνται από την πλαστικότητα, αποκλίσεις ως συνάρτηση της απόστασης από το κέντρο osteonal μέσα από το φλοιό του μηριαίου, ιξωδοελαστικότητα και οι παραλλαγές οφείλονται σε περιεκτικότητα σε ανόργανα άλατα. Προκειμένου να αξιολογηθεί ο ρόλος της εγγενούς ποιότητας οστίτη ιστού της αντοχής των οστών, μια νανοσκληρομέτρησης δοκιμή πραγματοποιήθηκε στο επίπεδο της σπονδυλικής φλοιού των ενήλικων αρουραίων μετά από διάφορες γνωστές διατροφικές και ορμονικές χειρισμούς για να επηρεάσει σημαντικά αντοχή των οστών του σκελετού ένα άθικτο κομμάτι. Η νανοσκληρομέτρησης τεχνική αξιολογεί τόσο σκληρότητα και ελαστικότητα του ξηρού και υγρού ιστού των οστών με υψηλή χωρική ανάλυση. νανοσκληρομέτρησης έχει επίσης αποδειχθεί ότι είναι μια αξιόπιστη μέθοδος για την αξιολόγηση των εγγενών μηχανικές ιδιότητες των οστών μόνο δομικές μονάδες (BSU). Η τοπική ελαστικές ιδιότητες των οστών δομικές μονάδες βρέθηκαν να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ των ατόμων, ανατομικές περιοχές, το είδος των οστών (διάμεση, osteonal, και δοκιδωτού), και δοκιδώδους προσανατολισμό. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης δείχνουν ότι εκτός από τη γεωμετρία και μικροαρχιτεκτονική, εγγενής ιδιότητα των ιστών των οστών είναι ένας σημαντικός καθοριστικός παράγοντας της μηχανικής αρμοδιότητα της σπονδυλικής στήλης αρουραίου μετά από διαιτητική αγωγή OVX και χαμηλή πρόσληψη πρωτεϊνών.  Σχήμα 1 Force-μετατόπιση καμπύλης μιας δοκιμής νανοσκληρομέτρησης:. Φόρτωσης (1), εκμετάλλευσης (2), εκφόρτωση (3) του άκρη indenter. Το τρίτο μέρος οδηγεί σε ελαστική ανάκτηση του υλικού και η αρχική κλίση της, χρησιμοποιείται για να αποκομίσουν το μέτρο ελαστικότητας εσοχή. Η υστέρηση αντιπροσωπεύει τη διαχεόμενη ενέργεια. Νανοσκληρομέτρησης αντιπροσωπεύει μια δοκιμασία της εγγενούς μηχανικές ιδιότητες του ιστού των οστών. Αυτή η τεχνική αποκτά δύναμη εμπλοκής των δεδομένων του μια πυραμιδική indenter διαμάντι που πιέζεται σε ένα υλικό. Εικ.. 1 δείχνει την προκύπτουσα καμπύλη που αποτελείται από τρία μέρη. Στο μέρος 1, η άκρη indenter έχει φορτωθεί πάνω στο δείγμα που καταλήγει σε ένα πολύπλοκο συνδυασμό των ελαστικών και μετά την παραμόρφωση απόδοση. Στη μέγιστη δύναμη, το φορτίο είναι σταθερές που οδηγούν σε ερπυσμού των υλικών κάτω από την κορυφή. Όταν η δύναμη στην άκρη απελευθερώνεται, η ελαστική απόκριση του υλικού ανιχνεύεται (Μέρος 3). Η κλίση στο σημείο της αρχικής εκφόρτωση θεωρείται ότι αντλούν τις ελαστικές ιδιότητες του δείγματος. Η εκφόρτωση πλαγιά έχει με:  (Equ 1) άμεση σχέση με την επαφή περιοχή Ac (h max) και η μειωμένη μέτρο Er. Η επιφάνεια επαφής της είναι η προβλεπόμενη έκταση των επαφών μεταξύ των πυραμιδική indenter και το δείγμα και αντιπροσωπεύει μια παράμετρο βαθμονόμησης. Το μειωμένο συντελεστή αντιπροσωπεύει ένα ποσό της συμμόρφωσης του υλικού και την indenter διαμάντι.  (Equ.2) Το πρώτο κλάσμα ορίζεται ως το μέτρο εσοχές και προέρχεται από τις ήδη γνωστές ιδιότητες του άκρου indenter και το μειωμένο συντελεστή. Το μέτρο συνδυάζεται με εσοχή  (Equ 3) την τοπική μέτρο ελαστικότητας και λόγος Poisson του δείγματος και αντιπροσωπεύει την πρώτη παράμετρος του ενδιαφέροντος σε αυτό το έγγραφο. Ο λόγος της μέγιστης δύναμης και η επιφάνεια επαφής παρέχει μια δεύτερη παράμετρο μηχανικό, σκληρότητα:  (Equ 4) Σκληρότητα μπορεί να ερμηνευθεί ως μέσο πίεσης το υλικό μπορεί να αντισταθεί. Μια τρίτη έξοδο του πειράματος εσοχής ελήφθη υπόψη, δηλαδή, η περιοχή της υστέρησης (βλ. Σχήμα. 1). Αυτή η παράμετρος έχει τη διάσταση της μηχανικό έργο και αντιπροσωπεύει την ενέργεια που διαχέεται κατά τη διάρκεια της δοκιμής εσοχή.  Σχήμα 2. Σχηματική παράσταση της ελαστοπλαστική συμπεριφορά των οστών κατά τη διάρκεια της νανοσκληρομέτρησης Για την νανοσκληρομέτρησης δοκιμές, η L 5 σπονδυλικού σώματος του κάθε αρουραίου ήταν αποσυντίθενται στο επίπεδο των μεσοσπονδύλιων δίσκων. Τα δείγματα των οστών διατηρούνται παγωμένα μέχρι την προετοιμασία για τις μηχανικές δοκιμές. Ο σπόνδυλος κόπηκε εγκάρσια στη μέση του περίπου 8 χιλιοστών υψηλής σώμα. Τα δείγματα ήταν ενσωματωμένο στο PMMA και το πρόσωπο του εγκαρσίως ήταν στο φινίρισμα με ένα διάλυμα διαμάντι 0,25 μm. Μετά από αυτά τα βήματα για την προετοιμασία, το δείγμα ήταν σε ξήρανση επί 24 ώρες στους 50 ° C. Οι μηχανικές δοκιμές περιελάμβαναν 9 περιπτώσεις στις φλοιού κέλυφος του κάθε σπονδυλικό σώμα, 3 περιπτώσεις στο οπίσθιο, τρία στα πλάγια και τρία ακόμη στην πρόσθια περιοχή. Σε κάθε χώρο, τρεις περιπτώσεις έγιναν στο περιοστικό, την κεντρική, και η ενδοστικές θέση του πίνακα των οστών (Σχ. 3α) Τα εδάφια που αναλύθηκαν έως 900 nm, μέγιστο βάθος την εφαρμογή ενός κατά προσέγγιση ποσοστό παραμόρφωσης του ε = 0,066 1 / s για τόσο τη φόρτωση και την εκφόρτωση. Στο μέγιστο φορτίο 5-s περίοδος διακράτησης εργαζόταν. Το όριο της μέγιστης επιτρεπόμενης θερμική παρασυρόμενα ορίστηκε σε 0,1 nm / s. Οι περιπτώσεις που έγιναν στο κέντρο της lamellae? Περιπτώσεις στην άκρη των δύο lamellae αποκλείστηκαν. Στην παρούσα μελέτη, μόνο του φλοιού των οστών έχει δοκιμαστεί, αφού μεγάλες υποβάθμισης και καταστροφής του σπογγώδη δομή παρατηρήθηκε σε αρουραίους OVX τρέφονται μια δίαιτα χαμηλή σε πρωτεΐνη.  Σχήμα 3α. Σχηματική απεικόνιση της περίπτωσης περιοχές. Στις εγκάρσιες φέτες των οσφυϊκών σπονδυλικού σώματος, τρεις περιοχές επιλέχθηκαν: πρόσθια, οπίσθια και τις πλευρικές περιοχές (βλ. αριστερό σχήμα). Σε κάθε χώρο, τρεις θέσεις ορίστηκαν ως δομή του ενδιαφέροντος: η περιοστικές, κεντρική, και ενδοστικές θέσεις (βλ. δεξιό τμήμα του σχήματος).  Σχήμα 3β. Οπτική μικρογραφία της εσοχής Berkovich στις σπογγώδεις / φλοιώδους νανοσκληρομέτρησης και AFM υψηλής ανάλυσης εικόνας. (12 x 12 x 1,5 μm) Καθοριστικοί παράγοντες της αντοχής των οστών · 3D Κατανομή · Γεωμετρία · Μικροαρχιτεκτονική · Ποσότητα του υλικού · Ποιότητα Υλικών · Mineralisation · Μήτρα · Οργάνωση Αποτελέσματα Μεταβολή της νανομηχανικών Χαρακτηριστικά σε Σπονδυλική φλοιό Body Η ετερογένεια των νανομηχανικών χαρακτηριστικά μετράται σε διαφορετικά σημεία της σπονδυλικής φλοιό του σώματος, (δηλαδή, πρόσθια, οπίσθια και πλάγια) για πρώτη φορά αξιολογήθηκε στους ελέγχους των ζώων. Και για τις τρεις μηχανικές παραμέτρους (εγκοπές modulus, σκληρότητα, και η διαχεόμενη ενέργεια) κατώτερες τιμές εντοπίστηκαν στην πρόσθια περιοχή. Μια αμφίδρομη ANOVA που εκτελούνται με τη θέση και το χώρο, όπως καθορίζεται συνέπειες, έδειξε ότι η περιοχή ήταν ιδιαίτερα σημαντική για όλα αυτά τα τρία μηχανικά παραμέτρους (p <0,0001). Τοποθεσία (περιοστικές, ενδοστικές ή κεντρική), από την άλλη πλευρά, δεν ήταν σημαντική (Ρ> 0,6). Επίδραση της πρόσληψης πρωτεϊνών για νανομηχανικών Χαρακτηριστικά Η επιρροή της ισοθερμιδικές υποσιτισμού των πρωτεϊνών και των συμπληρωμάτων απαραίτητα αμινοξέα οξέα στη συνέχεια αξιολογείται. Τρεις-way ANOVA για την εξέταση μέτρο εσοχές το πλήρες σύνολο των δεδομένων έδειξε και πάλι υψηλή παγκόσμια σημασία για την τοποθεσία (πρόσθια, πλάγια, οπίσθια) (Ρ <0,001). Η τοποθεσία παράγοντας (περιοστικές, ενδοστικές, κεντρική) ήταν μετρίως σημαντική (p = 0,029), και η θεραπεία δεν ήταν σε παγκόσμιο επίπεδο σημαντική (p = 0,65). Ωστόσο, η αλληλεπίδραση μεταξύ της θεραπείας και την τοποθεσία ήταν κοντά στο επίπεδο σημαντικότητας (P = 0.06). Αυτό μας οδήγησε στο να εφαρμόσει ένα άτομο στατιστική αξιολόγηση για καθεμία από τις τρεις τοποθεσίες. Αμφίδρομη ANOVAs έγιναν με τη θεραπεία και τη θέση που καθορίστηκαν αποτελέσματα. Η επίδραση της θεραπείας δεν ήταν σημαντική (Ρ> 0,1). Αντίθετα, η θέση παράγοντας ήταν σημαντική για τον πρόσθιο χώρο (P = 0,013) και για την οπίσθια περιοχή (P = 0.0002), αλλά δεν είναι σημαντική για την πλευρική θέση (P = 0,2). Οι νανο-μηχανικές ιδιότητες των διαφόρων θέσεων που παρουσιάζονται χωριστά (Εικ. 4). Σύγκριση μεταξύ των ομάδων θεραπείας έγινε για όλες τις θέσεις. υστέρων ανάλυση hoc έδειξαν σημαντική μείωση των νανο-μηχανικών ιδιοτήτων (P <0,05) στο ενδοστικές τοποθεσία στην OVX ποντίκια τρέφονται η δίαιτα χαμηλή σε πρωτεΐνες σε σύγκριση με την απάτη. Αυτή η διαφορά ήταν ανιχνεύσιμη και για τις τρεις νανομηχανικών παραμέτρους. Στο κεντρικό τμήμα του οπίσθιου κορυφή, σκληρότητα και διαχεόμενη ενέργεια μειώθηκαν σημαντικά (P = 0,02 και P = 0.03, αντίστοιχα) σε απάντηση ωοθηκεκτομής και η χαμηλή σε πρωτεΐνες διατροφή. Σε περιοστικές τοποθεσία, σημαντική μεταβολή των ελαστικών ιδιοτήτων και της κατανάλωσης ενέργειας μεταξύ επίφαση και OVX ποντίκια με τη χαμηλή σε πρωτεΐνες διατροφή ήταν επίσης εντοπιστεί (P = 0,01 και P = 0,02, αντίστοιχα). Η θετική εξέλιξη των βασικών αμινοξέων συμπληρωμάτων οξέα σε μέτρο εσοχή και διαχεόμενη ενέργεια δεν ήταν σημαντική (P <0,1) στο ενδοστικές θέση. Υπήρξε επίσης μια τάση για την επίδραση των συμπληρωμάτων απαραίτητα αμινοξέα οξέα σχετικά με τη σκληρότητα στην κεντρική θέση (Pb <0,1). Για μέτρο εσοχή στο περιοστικό θέση, τα αποτελέσματα των βασικών αμινοξέων συμπληρωμάτων οξύ ήταν σχεδόν σημαντική (P = 0.06). Μακροσκοπική Μηχανική Αποτελέσματα Versus νανομηχανικών ιδιότητες ιστού και των οστών Μαζικής Ορυκτών Για την αντιστοιχία μεταξύ της νανομηχανικών δεδομένων και μακροσκοπικές εξετάσεις, οι οποίες προέκυψαν από την αξονική συμπίεση του σπονδυλικού σώματος [2], οι μέσες τιμές των σκληρότητα και μέτρο ελαστικότητας εσοχή και διαχεόμενη ενέργεια του κάθε αρουραίος χρησιμοποιήθηκαν (Εικ. 5). Μακροσκοπική ενέργειας σε αποτυχία έδειξε μια συσχέτιση (R 2 = 0.6) με τη διαχεόμενη ενέργεια της δοκιμής εσοχής. Μακροσκοπική αντοχή σχετίζεται με μέτρια σκληρότητα (R 2 = 0,27) και την ακαμψία δεν έδειξε συσχέτιση με την εγγενή ελαστικές ιδιότητες.  Σχήμα 5. Αποτελέσματα των δοκιμών νανοσκληρομέτρησης στο επίπεδο του οπίσθιου τμήματος του σπονδυλικού σώματος και για τις τρεις ομάδες θεραπείας (βλ. κείμενο). * Στατιστικά σημαντική (p <0,05). Σύγκριση μεταξύ αξονική συμπίεση (παλαιά μέθοδος μακροσκοπική) και Νανο-εσοχή (Νέα νανομετρικών μέθοδος) είναι απολύτως αξιόπιστα αλλά το νανοσκληρομέτρησης δώσει περισσότερα αποτελέσματα για τη συμπεριφορά του ιστού σε χαμηλή κλίμακα.  Σχήμα 6. Σύγκριση μεταξύ αξονική δοκιμές συμπίεσης και νανοσκληρομέτρησης Συμπέρασμα Η παρούσα μελέτη έδειξε ετερογένεια των εγγενών ιδιοτήτων των ιστών των οστών των αρουραίων σπονδυλικού σώματος, η οποία διέφερε σε σχέση με την πρόσληψη πρωτεϊνών. Χαμηλή πρόσληψη πρωτεΐνης που συνδέεται με ωοθηκεκτομή, σε συνδυασμό με τα απαραίτητα αμινοξέα τα συμπληρώματα οξέα, μειώθηκαν τα νανομηχανικών αξίες. Τα αποτελέσματα αυτά υπογραμμίζουν την ικανότητα του νανοσκληρομέτρησης τεχνική για την ανίχνευση μεταβολών που προκαλούνται από τη διατροφή και ορμονικές χειρισμούς. Οι συσχετίσεις μεταξύ μακροσκοπικών μηχανικών αποτελέσματα, όπως εκτιμάται από αξονική συμπίεση του σπονδυλικού σώματος και νανομηχανικών ιδιότητες των ιστών υποδεικνύουν ότι μακροσκοπικά postelastic συμπεριφορά παρουσίασαν έντονες με εύθραυστο υλικό που ανιχνεύθηκε στο επίπεδο των ιστών. Μακροσκοπική δυσκαμψία όμως κυριαρχείται από τις αλλαγές των οστών γεωμετρία και λιγότερο από τις διακυμάνσεις των ιδιοτήτων των ιστών, όπως νανοσκληρομέτρησης αποκαλύπτει. Άλλες ανοργανοποιημένο βιολογικών υλικών, όπως η οδοντίνη, σμάλτο και ασβεστοποιημένη χόνδρου θα μπορούσε να μελετηθεί από την νανοσκληρομέτρησης τεχνική. Ευχαριστίες Οι συγγραφείς ευχαριστήσω τον Dr Patrick Ammann από την Υπηρεσία των Νοσημάτων των Οστών [ΠΟΥ Συνεργαζόμενο Κέντρο για την Πρόληψη Η οστεοπόρωση], Τμήμα Αποκατάστασης και Γηριατρική, 7 Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο, Γενεύη της Ελβετίας για τη χρήση του πλήρους Βιβλίου σπουδές του: Οστών ISSN 8756 - 3282 του 2005, vol . 36, αρ. 1, σελ. 134-141 [8 σελίδα (ες) (άρθρο)] (28 ref.) |