La régénération osseuse représente un défi majeur à la médecine orthopédique. Les méthodes actuelles pour le traitement de la perte osseuse massive sont essentiellement tributaires des prothèses artificielles. Prothèses ne peut pas être utilisé dans tous les cas en raison de la limitation des mouvements et des problèmes de biocompatibilité. De même, la prothèse peut échouer dans le long terme et entraîner la perte de fonction et, éventuellement, de la morbidité. Analyse échelle nanométrique Nouvelle analyse nanométrique appliqués dans les os et autres matériaux minéralisés biologiques permettent une nouvelle fenêtre dans les détails amende de comportement mécanique à des échelles très petites. L'analyse micro et macroscopique, qui produisent en moyenne des quantités plus grandes échelles de longueur, peut-être pas assez sensible pour identifier les différences sous-jacentes entre deux échantillons similaires. Ainsi, des études nanométriques sont souhaitables pour la caractérisation de ces matériaux résolus complexes. En outre, les méthodologies nanométriques sont utiles lorsque le volume de matériel disponible est trop petit pour des analyses à plus grande échelle, par exemple avec la formation osseuse ingénierie tissulaire dans la taille critique des défauts et des modèles de rats. La précision des propriétés biomécaniques réduits en utilisant la théorie traditionnelle du faisceau d'ingénierie appliquée à l'os entier essais de flexion sur l'os de souris a également été interrogés. Analyse Nanoindentation Nanoindentation analyses ont porté les différences entre l'os cortical et trabéculaire, anisotropie, la plasticité dépendante du temps, les variations en fonction de la distance du centre osteonal à travers le cortex, viscoélasticité du fémur et des variations dues à la teneur en minéraux. Afin d'évaluer le rôle de la qualité de tissu osseux intrinsèque dans la solidité des os, une nanoindentation test a été réalisé au niveau du cortex vertébrale de rats adultes, après diverses manipulations diététiques et hormonaux connus pour influencer sensiblement la solidité des os d'une pièce intacte du squelette. La nanoindentation technique évalue à la fois la dureté et l'élasticité du tissu osseux sec et humide avec une résolution spatiale élevée. Nanoindentation a également été prouvé pour être une méthode fiable pour évaluer les propriétés mécaniques intrinsèques du seul os unités structurelles (BSU). Les propriétés élastiques de l'os locale unités structurelles ont été trouvés à varier considérablement entre les individus, les lieux anatomiques, le type d'os (interstitiels, osteonal, et trabéculaire), et l'orientation trabéculaire. Les résultats de la présente étude indiquent que, outre la géométrie et microarchitecture du tissu osseux intrinsèques des biens est un déterminant important de la compétence mécanique de vertèbres rat après un traitement diététique et OVX apport en protéines faible.  Figure 1 Courbe force-déplacement d'un test de nanoindentation:. Chargement (1), exploitation (2), le déchargement (3) d'une pointe de pénétrateur. La troisième partie conduit à la récupération d'élasticité du matériau et sa pente initiale est utilisée pour dériver le module d'indentation élastique. L'hystérésis représente l'énergie dissipée. Nanoindentation représente un test des propriétés mécaniques intrinsèques du tissu osseux. Cette technique acquiert force-déplacement des données d'un pénétrateur diamant pyramidale qui est enfoncé dans un matériau. Fig. 1 montre la courbe résultant qui se compose de trois parties. Dans la partie 1, la pointe pénétrateur est chargé sur l'échantillon qui résulte en une combinaison complexe de déformation élastique et le rendement de poste. A force maximale, la charge est maintenue constante conduisant à fluage de la matière en dessous de la pointe. Lorsque la force sur la pointe est libéré, la réponse élastique de la matière est détectée (partie 3). La pente au point de départ est considéré comme le déchargement de dériver les propriétés élastiques de l'échantillon. La pente de déchargement a avec:  (Equ 1) une relation directe avec la zone de contact Ac (h max) et la réduction module Er. La zone de contact est la surface projetée du contact entre l'indenteur pyramidal et de l'échantillon et représente un paramètre d'étalonnage. Le module réduit représente une somme de la conformité du matériau et de l'indenteur diamant.  (Equ.2) La première fraction est définie comme le module d'indentation et de dérive à partir des propriétés connues de la pointe du pénétrateur et le module réduit. Le module d'indentation se combine avec  (Equ 3) le local et le module d'élasticité du coefficient de Poisson de l'échantillon et représente le premier paramètre d'intérêt dans ce papier. Le ratio de la force maximale et l'aire de contact fournit un second paramètre mécanique, dureté:  (Equ 4) La dureté peut être interprété comme une pression moyenne, le matériau peut résister. Une troisième sortie de l'expérience d'indentation a été pris en compte, c'est le domaine de l'hystérésis (voir fig. 1). Ce paramètre a la dimension d'un travail mécanique et représente l'énergie dissipée lors de l'essai d'indentation.  Figure 2. Représentation schématique du comportement élasto-plastique sur l'os pendant la nanoindentation Pour la nanoindentation tests, les L 5 corps vertébral de chaque rat a été disséqué au niveau des disques intervertébraux. Les échantillons osseux ont été gardés congelés jusqu'à la préparation pour les tests mécaniques. La vertèbre a été coupé transversalement dans le milieu du corps d'environ 8 mm de haut. Les échantillons ont été inclus dans le PMMA et le visage de la coupe transversale a été polie avec une solution de finition diamant de 0,25 um. Après ces étapes de préparation, l'échantillon ont été séchés pendant 24 h à 50 ° C. Les essais mécaniques inclus 9 tirets sur la coquille corticale de chaque corps vertébral, 3 tirets au postérieur, trois au plus latérales et trois sur le site antérieur. Sur chaque site, trois tirets ont été faites sur le périoste, la centrale, et l'emplacement endostéale de l'os (Fig. 3a) matrice Les tirets ont été effectuées à 900 nm de profondeur maximale en appliquant un taux de déformation approximative de ε = 0.066 1 / s pour tant chargement et le déchargement. A charge maximum une période de détention de 5 s était employé. La limite de la dérive thermique maximale autorisée a été fixée à 0,1 nm / s. Les tirets ont été effectuées au centre des lamelles; tirets à la lisière de deux lamelles ont été exclus. Dans la présente étude, seul l'os cortical a été testé, car une détérioration importante et la destruction de la structure trabéculaire a été observée dans OVX rats nourris avec un régime faible en protéines.  Figure 3a. Représentation schématique de la tiret domaines. Sur coupes transversales du corps vertébral lombaire, trois sites ont été choisis: les sites antérieure, postérieure et latérale (voir figure de gauche). Sur chaque site, trois emplacements ont été définis comme structure d'intérêt: le périoste, les lieux centraux, et endostéale (voir partie droite de la figure).  Figure 3b. Micrographie optique d'indentation Berkovich sur Nanoindentation trabéculaire / corticales et de l'AFM à haute résolution d'image. (12 x 12 x 1,5 um) Déterminants de la solidité des os · Répartition 3D · Géométrie · Microarchitecture · Montant de la Matière · Qualité des matériaux · Minéralisation · Matrice · Organisation Résultats Variation des caractéristiques en nanomécanique cortex corps vertébral L'hétérogénéité des caractéristiques nanomécaniques mesurée en différents sites du cortex corps vertébral, (qui est, antérieur, postérieur et latéral) a d'abord été évaluée chez les animaux contrôles. Pour les trois paramètres mécaniques (module indentations, la dureté et l'énergie dissipée) des valeurs plus faibles ont été détectés sur le site antérieur. Une ANOVA à deux voies réalisée avec l'emplacement et le site comme des effets fixes, montrent que le site était hautement significative pour l'ensemble de ces trois paramètres mécaniques (P <0,0001). Lieu (périoste, endostéale ou central), d'autre part, n'était pas significative (P> 0,6). Effet de l'apport protéique sur les caractéristiques nanomécanique L'influence de la dénutrition protéique isocalorique et des suppléments d'acides aminés essentiels a ensuite été évaluée. Trois ANOVA pour le module d'indentation envisage l'ensemble complet des données a montré encore une fois de haute importance mondiale pour le site (antérieur, latéral, postérieur) (P <0,001). L'emplacement facteur (périoste, endostéale, central) a été modérément significative (P = 0,029), et le traitement n'a pas été globalement significative (P = 0,65). Toutefois, l'interaction entre le traitement et le site a été proche du niveau de signification (P = 0,06). Ceci nous a conduit à appliquer une évaluation statistique individuelle pour chacun des trois sites. Deux voies ANOVA ont été effectuées avec le traitement et l'emplacement comme des effets fixes. L'influence du traitement n'était pas significative (P> 0,1). En revanche, l'emplacement facteur était important pour le site antérieur (P = 0,013) et pour le site postérieur (P = 0,0002), mais non significatif pour le site latéral (p = 0,2). Les propriétés de nano-mécanique des différents sites sont présentés séparément (fig. 4). Comparaison entre les groupes de traitement a été fait pour tous les emplacements. l'analyse post hoc a montré des diminutions significatives des propriétés de nano-mécanique (P <0,05) à l'endroit de endostéale OVX rats nourris au régime faible en protéines par rapport à SHAM. Cette différence est détectable pour les trois paramètres nanomécanique. Sur la partie centrale de la partie postérieure de vertex, la dureté et l'énergie dissipée étaient significativement réduite (p = 0,02 et p = 0,03, respectivement) en réponse à une ovariectomie et le régime faible en protéines. Dans l'emplacement du périoste, une modification importante des propriétés élastiques et de la dissipation d'énergie entre SHAM et les rats OVX avec le régime pauvre en protéines a également été détectée (p = 0,01 et p = 0,02, respectivement). La tendance positive de l'essentiel des suppléments d'acides aminés sur le module d'indentation et de l'énergie dissipée n'était pas significative (P <0,1) à l'endroit endo-osseux. Il y avait aussi une tendance à un effet de suppléments d'acides aminés essentiels sur la dureté à l'emplacement central (Pb <0,1). Pour le module d'indentation à l'endroit du périoste, les effets de suppléments d'acides aminés essentiels ont été presque significative (P = 0,06). Résultats mécanique macroscopique Versus propriétés des tissus et de nanomécanique masse minérale osseuse Pour la corrélation entre les données et les tests nanomécaniques macroscopique, qui ont été obtenus par la compression axiale du corps vertébral [2], les valeurs moyennes de dureté et de module d'indentation et de l'énergie dissipée de chaque rat ont été utilisés (fig. 5). Énergie macroscopique à l'échec a montré une corrélation (R 2 = 0,6) avec l'énergie dissipée de l'essai d'indentation. Macroscopique résistance ultime corrélée avec la dureté modérée (R 2 = 0,27) et la raideur n'ont montré aucune corrélation avec les propriétés intrinsèques d'élasticité.  Figure 5. Résultats des tests de nanoindentation au niveau de la partie postérieure du corps vertébral pour les trois groupes de traitement (voir texte). * Statistiquement significatif (p <0,05). Comparaison entre une compression axiale (ancienne méthode macroscopique) et de nano-indentation (Nouvelle méthode nanométrique) sont parfaitement fiables mais l' nanoindentation donnent plus de résultats sur le comportement des tissus à faible échelle.  Figure 6. Comparaison entre les tests de compression axiale et nanoindentation Conclusion La présente étude a montré une hétérogénéité des propriétés intrinsèques du tissu osseux du corps vertébral chez le rat, qui a varié par rapport à l'apport en protéines. L'apport en protéines faible associée à une ovariectomie, jumelé avec des suppléments d'acides aminés essentiels, une diminution des valeurs nanomécanique. Ces résultats soulignent la capacité de la nanoindentation technique pour détecter les changements induits par les manipulations nutritionnelles et hormonales. Les corrélations entre les résultats mécaniques macroscopiques telle qu'évaluée par la compression axiale du corps vertébral et les propriétés des tissus nanomécaniques suggèrent que le comportement macroscopique postelastic varie fortement avec la fragilité du matériel détecté sur le niveau des tissus. Cependant la rigidité macroscopique a été dominée par des changements de géométrie des os et moins par les variations des propriétés des tissus, comme nanoindentation révèle. Autres minéralisées matériaux biologiques tels que la dentine, l'émail et cartilage calcifié pourrait être étudié par la nanoindentation technique. Remerciements Les auteurs remercient le Dr Patrick Ammann auprès du Service des maladies osseuses [Centre collaborateur OMS pour la prévention de l'ostéoporose], Département de réadaptation et de gériatrie, Hôpital universitaire 7, Genève, Suisse, pour l'utilisation de son Livre des études complètes: Bone ISSN 8756-3282 2005, vol . 36, no1, pp 134-141 [8 page (s) (article)] (28 ref.) |