Análisis y Nanoindentation de Nanoscale Usados Para Estudiar los Efectos de la Osteoporosis y de Sus Tratamientos sobre Calidad del Tejido del Hueso por los Instrumentos del CSM

Temas Revestidos

Antecedentes

Análisis de Nanoscale

Análisis de Nanoindentation

Determinantes de la Fuerza del Hueso

Resultados

Variación de las Características de Nanomechanical en Cortezas Vertebrales del Cuerpo

Efecto de la Admisión de la Proteína sobre las Características de Nanomechanical

Resultados Mecánicos Macroscópicos Comparado Con Propiedades del Tejido de Nanomechanical y Masa del Mineral del Hueso

Conclusión

Acuses De Recibo

Antecedentes

La regeneración del Hueso presenta un reto importante al remedio ortopédico. Los métodos Actuales para el tratamiento de la baja masiva del hueso son esencialmente relacionados en las prótesis artificiales. Las Prótesis no pueden ser uso en todos los casos debido a la limitación de las ediciones del movimiento y del biocompatibility. Semejantemente, la prótesis puede fallar a largo plazo y resultado en la baja de la función y posiblemente de la morbosidad.

Análisis de Nanoscale

El Nuevo análisis del nanoscale aplicado en huesos y otros materiales biológicos mineralizados activan una nueva ventana en los detalles finos del comportamiento mecánico en extremadamente las pequeñas escalas. El análisis Micro y macroscópico, que rinden cantidades hechas un promedio sobre escalas más grandes de la longitud, puede no ser bastante sensible determinar las diferencias subyacentes entre dos muestras similares. Por Lo Tanto, los estudios del nanoscale son deseables para la caracterización resuelta de estos materiales complejos. Además, las metodologías del nanoscale son útiles cuando el volumen de material disponible es demasiado pequeño para los análisis de una escala más grande, por ejemplo con la formación dirigida tejido del hueso en defectos y modelos crítico-clasificados de la rata. La exactitud de las propiedades biomecánicas reducidas usando la teoría tradicional del haz de la ingeniería aplicada a las pruebas de flexión enteras del hueso en el hueso del ratón también se ha preguntado.

Análisis de Nanoindentation

El análisis de Nanoindentation ha enfocado las diferencias entre el hueso cortical y trabecular, anisotropía, plasticidad dependiente del tiempo, variaciones en función de la distancia del osteonal se centra con la corteza, la viscoelasticidad y las variaciones femorales debido al contenido mineral.

Para evaluar el papel de la calidad intrínseca del tejido del hueso en fuerza del hueso, una prueba del nanoindentation fue realizada en el nivel de la corteza vertebral de ratas adultas después de las diversas manipulaciones dietéticas y hormonales sabidas para influenciar marcado fuerza del hueso de un pedazo esquelético intacto.

La técnica del nanoindentation evalúa endurecimiento y elasticidad del tejido seco y mojado del hueso con una alta resolución espacial. Nanoindentation también se ha demostrado ser un método de confianza para evaluar las propiedades mecánicas intrínsecas de las unidades estructurales del único hueso (BSU). Las propiedades elásticos locales de las unidades estructurales del hueso fueron encontradas para variar importante entre individuos, las ubicaciones anatómicas, el tipo de hueso (intersticial, osteonal, y trabecular), y la orientación trabecular.

Los resultados del actual estudio indican que además de la geometría y del microarchitecture, la propiedad intrínseca del tejido del hueso es un determinante importante de la capacidad mecánica de las vértebras de la rata después de tratamiento dietético de OVX y de admisión poco proteínica.

Cuadro 1. curva de la Fuerza-Dislocación de una prueba del nanoindentation: cargamento (1), explotación agrícola (2), descargando (3) de una punta del penetrador. La tercera parte lleva a la recuperación elástico del material y su declive inicial se utiliza para derivar el módulo elástico del sangrado de márgenes. La histéresis representa la energía disipada.

Nanoindentation representa una prueba de las propiedades mecánicas intrínsecas del tejido del hueso. Esta técnica detecta datos de la fuerza-dislocación de un penetrador piramidal del diamante que se prense en un material. La Fig. 1 muestra la curva resultante que consiste en tres porciones. En la parte 1, la punta del penetrador se carga sobre la muestra que los resultados en una combinación compleja de la deformación del rendimiento el elástico y del poste.

En la fuerza máxima, la carga es el llevar constante celebrado al deslizamiento del material debajo de la punta. Cuando la fuerza en la punta release/versión, la reacción elástico del material se detecta (la Parte 3). El declive actualmente la descarga inicial se considera derivar las propiedades elásticos de la muestra. El declive de descarga tiene con:

(equ 1)

un lazo directo con la CA del área de contacto (h)max y el módulo reducido Er. El área de contacto es el área del contacto proyectada entre el penetrador piramidal y la muestra y representa un parámetro de calibración. El módulo reducido representa una suma de la concordancia del material y del penetrador del diamante.

(equ.2)

La primera fracción se define como el módulo del sangrado de márgenes y deriva de las propiedades sabidas de la punta del penetrador y del módulo reducido. Las cosechadoras del módulo del sangrado de márgenes con

(equ 3)

el módulo de elástico y la relación de transformación de Poisson locales del espécimen y representa el primer parámetro del interés en este papel. La relación de transformación de la fuerza máxima y del área de contacto suministra un segundo parámetro mecánico, endurecimiento:

(equ 4)

El Endurecimiento se puede interpretar como presión media que el material puede resistir.

Un tercer rendimiento del experimento del sangrado de márgenes fue tenido en cuenta, es decir, el área de la histéresis (véase Fig. 1). Este parámetro tiene la dimensión del trabajo mecánico y representa la energía disipada durante la prueba del sangrado de márgenes.

Cuadro 2. representación Esquemática del comportamiento elastoplástico en el hueso durante el nanoindentation

Para las pruebas del nanoindentation, el L5 cuerpo vertebral de cada rata fue disecado en el nivel de los discos intervertebrales. Los especímenes del hueso fueron mantenidos congelados hasta la preparación para las pruebas mecánicas. La vértebra fue cortada transversal en el medio del cuerpo de aproximadamente 8 milímetros de alto. Las muestras fueron embutidas en PMMA y la superficie del corte transversal era acabamiento pulido con 0,25 soluciones del diamante del μm. Después de estos pasos de progresión de la preparación, el espécimen fue secado para 24 h en 50°C.

Las pruebas mecánicas incluyeron 9 sangrados de márgenes en el shell cortical de cada cuerpo vertebral, 3 sangrados de márgenes en el trasero, tres en el lateral y tres más lejos en el sitio anterior. En cada sitio, tres sangrados de márgenes fueron hechos en el perióstico, la central, y la ubicación endosteal de la matriz del hueso (Fig. 3a) Los sangrados de márgenes fue ejecutada a 900 profundidades máximas del nanómetro que aplicaban un índice de deformación aproximado de ε = 0,066 1/s para el cargamento y descargar. En la carga máxima al tiempo de espera de 5 s fue empleado. El límite de la desviación térmica máxima permitida fue establecido a 0,1 nm/s. Los sangrados de márgenes fueron realizados en el centro de las laminillas; los sangrados de márgenes en el borde de dos laminillas fueron excluidos. En el actual estudio, solamente el hueso cortical fue probado, puesto que el deterioro y la destrucción importantes de la estructura trabecular fueron observados en ratas de OVX introdujeron una dieta poco proteínica.

Figura 3a. Representación Esquemática de las áreas del sangrado de márgenes. En partes transversales del cuerpo vertebral lumbar, tres sitios fueron elegidos: sitios anteriores, posteriores, y laterales (véase la figura izquierda). En cada sitio, tres ubicaciones fueron definidas como estructura del interés: las ubicaciones periósticas, centrales, y endosteal (véase la parte correcta de la figura).

Figure 3b. Micrografía Óptica del sangrado de márgenes de Berkovich en la imagen de alta resolución Trabecular/cortical de Nanoindentation y del AFM. (12 μm del X12 x 1,5)

Determinantes de la Fuerza del Hueso

•        Reparto 3D

•        Geometría

•        Microarchitecture

•        Cantidad de Material

•        Calidad Material

•        Mineralización

•        Matriz

•        Organización

Resultados

Variación de las Características de Nanomechanical en Cortezas Vertebrales del Cuerpo

La heterogeneidad de las características nanomechanical medidas en diversos sitios de la corteza vertebral del cuerpo, (es decir, anterior, posterior, y lateral) primero fue evaluada en animales de mandos. Para tres los parámetros mecánicos (módulo de los sangrados de márgenes, endurecimiento, y la energía disipada) los valores más inferiores fueron detectados en el sitio anterior.

Un ANOVA bidireccional se realizó con la ubicación y el sitio como efectos fijos, mostrados que el sitio era altamente importante para todos estos tres parámetros mecánicos (P < 0,0001). La Ubicación (perióstico, endosteal o central), por otra parte, no era importante (P > 0,6).

Efecto de la Admisión de la Proteína sobre las Características de Nanomechanical

La influencia de la desnutrición isocalórica de la proteína y de los suplementos de los aminoácidos esenciales entonces fue evaluada.

ANOVA De Tres Vías para el módulo del sangrado de márgenes que consideraba el conjunto de datos completo mostró otra vez la alta significación global para el sitio (anterior, lateral, posterior) (P <0.001). La ubicación del factor (perióstico, endosteal, central) era moderado importante (P = 0,029), y tratamiento no era global importante (P = 0,65). Sin Embargo, la acción recíproca entre el tratamiento y el sitio estaba cercana al nivel de significación (P = 0,06). Esto nos llevó a aplicar una evaluación estadística individual para cada uno de los tres sitios.

ANOVAs bidireccional fue realizado con el tratamiento y la ubicación como efectos fijos. La influencia del tratamiento no era importante (P > 0,1). En cambio, la ubicación del factor era importante para el sitio anterior (P = 0,013) y para el sitio posterior (P = 0,0002), pero no importante para el sitio lateral (P = 0,2). Las propiedades nano-mecánicas de las ubicaciones diferentes se presentan por separado (Fig. 4). La Comparación entre los grupos del tratamiento fue hecha para todas las ubicaciones. el análisis hoc de poste mostró que las disminuciones importantes de propiedades nano-mecánicas (P < 0,05) en la ubicación endosteal de ratas de OVX introdujeron la dieta poco proteínica con respecto a IMPOSTOR. Esta diferencia era perceptible para los tres parámetros nanomechanical.

En la parte central del vértice posterior, el endurecimiento y la energía disipada fueron reducidos importante (P = 0,02 y P = 0,03, respectivamente) en respuesta a ovariectomía y a la dieta poco proteínica. En la ubicación perióstica, el cambio importante de las propiedades y de la disipación de energía elásticos entre las ratas del IMPOSTOR y de OVX con la dieta poco proteínica también fue detectado (P = 0,01 y P = 0,02, respectivamente).

La tendencia positiva de los suplementos de los aminoácidos esenciales en módulo del sangrado de márgenes y energía disipada no era importante (P < 0,1) en la ubicación endosteal. Había también una tendencia para un efecto de los suplementos de los aminoácidos esenciales sobre endurecimiento en la ubicación central (Pb < 0,1). Para el módulo del sangrado de márgenes en la ubicación perióstica, los efectos de los suplementos del aminoácido esencial eran casi importantes (P = 0,06).

Resultados Mecánicos Macroscópicos Comparado Con Propiedades del Tejido de Nanomechanical y Masa del Mineral del Hueso

Para la correlación entre los datos nanomechanical y las pruebas macroscópicas, que fueron obtenidos por la compresión axil del cuerpo vertebral [2], los valores medios del módulo del endurecimiento y del sangrado de márgenes y la energía disipada de cada rata fueron utilizados (Fig. 5). La energía Macroscópica al incidente mostró una correlación (R2 = 0,6) con la energía disipada de la prueba del sangrado de márgenes. La fuerza final Macroscópica correlacionada moderado con endurecimiento (R2 = 0,27) y rigidez no mostró ninguna correlación con las propiedades elásticos intrínsecas.

El Cuadro 5. Resultados del nanoindentation prueba en el nivel de la parte posterior del cuerpo vertebral para los tres grupos del tratamiento (véase el texto). *Statistically importante (P < 0,05).

La Comparación entre la compresión axil (viejo método macroscópico) y el Nano-Sangrado de márgenes (Nuevo método nanometric) es perfectamente segura pero el nanoindentation da más resultados en comportamiento del tejido en la escala inferior.

Cuadro 6. Comparación entre la prueba de la compresión y el nanoindentation axiles

Conclusión

El actual estudio mostró una heterogeneidad de las propiedades intrínsecas del tejido del hueso del cuerpo vertebral de la rata, que varió en relación a la admisión de la proteína. La admisión Poco proteínica asociada a la ovariectomía, emparejada con suplementos de los aminoácidos esenciales, disminuyó los valores nanomechanical. Estos resultados subrayan la capacidad de la técnica del nanoindentation de detectar los cambios inducidos por manipulaciones alimenticias y hormonales.

Las Correlaciones entre los resultados mecánicos macroscópicos según lo evaluado por la compresión axil del cuerpo vertebral y las propiedades nanomechanical del tejido sugieren que el comportamiento postelastic macroscópico varió fuertemente con la fragilidad material detectada en el nivel del tejido. La rigidez Macroscópica sin embargo fue dominada por los cambios y menos de la geometría del hueso por variaciones de las propiedades del tejido, como el nanoindentation revela. Otros materiales biológicos mineralizados tales como esmalte dental, esmalte y cartílago calcificado se podían estudiar por la técnica del nanoindentation.

Acuses De Recibo

Los autores agradecen al Dr. Patrick Ammann del Servicio de las Enfermedades del Hueso [Centro de Colaboración del WHO para la Prevención de la Osteoporosis], del Departamento de la Rehabilitación y de la Geriatría, Hospital de 7 Universidades, Ginebra, Suiza para el uso de su Papel completo de los estudios: Deshuese ISSN 8756-3282 2005, Vol. 36, no1, Págs. 134-141 [8 paginaciones (el artículo)] (referencia 28.)

Fuente: Instrumentos del CSM

Para más información sobre esta fuente visite por favor los Instrumentos del CSM

Date Added: Jun 25, 2007 | Updated: Dec 2, 2014

Last Update: 9. December 2014 20:00

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