Analisi e Nanoindentation di Nanoscale Usati Per Studiare gli Effetti di Osteoporosi e dei Sui Trattamenti su Qualità del Tessuto dell'Osso dagli Strumenti di CSM

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Sfondo

Analisi di Nanoscale

Analisi di Nanoindentation

Fattori Determinanti di Concentrazione dell'Osso

Risultati

Variazione delle Caratteristiche di Nanomechanical in Cortecce Vertebrali dell'Organismo

Effetto dell'Assunzione della Proteina sulle Caratteristiche di Nanomechanical

Risultati Meccanici Macroscopici Contro i Beni del Tessuto di Nanomechanical e la Massa del Minerale dell'Osso

Conclusione

Ringraziamenti

Sfondo

La rigenerazione dell'Osso presenta una sfida importante a medicina ortopedica. I metodi Correnti per il trattamento di perdita massiccia dell'osso dipendono essenzialmente dalle protesi artificiali. Le Protesi non possono essere uso in ogni caso dovuto la limitazione delle emissioni di biocompatibilità e del movimento. Similmente, la protesi può guastarsi a lungo termine e risultato nella perdita di funzione e possibilmente di morbosità.

Analisi di Nanoscale

La Nuova analisi del nanoscale applicata in ossa ed altri materiali biologici mineralizzati permettono ad una nuova finestra nei dettagli fini di comportamento meccanico estremamente alle piccole scale. La Micro ed analisi macroscopica, che rendono le quantità fatte la media sopra i più grandi disgaggi di lunghezza, non può essere abbastanza sensibile identificare le differenze di fondo fra due simili campioni. Quindi, gli studi del nanoscale sono desiderabili per la caratterizzazione risolta di questi materiali complessi. Inoltre, le metodologie del nanoscale sono utili quando il volume di materiale disponibile è troppo piccolo per le analisi di più grande disgaggio, per esempio con formazione dell'osso costruita tessuto nei difetti e nei modelli critico di taglia del ratto. L'accuratezza dei beni biomeccanici diminuiti facendo uso della teoria tradizionale del raggio di assistenza tecnica applicata alle intere prove di piegatura dell'osso sull'osso del mouse egualmente è stata messa in discussione.

Analisi di Nanoindentation

L'analisi di Nanoindentation ha messo a fuoco le differenze fra l'osso corticale e trabecular, l'anisotropia, la plasticità dipendente dal tempo, le variazioni in funzione della distanza dal osteonal concentra con la corteccia, la viscoelasticità e le variazioni femorali dovuto il tenore di minerale.

Per valutare il ruolo di qualità intrinseca del tessuto dell'osso nella concentrazione dell'osso, una prova di nanoindentation è stata eseguita al livello della corteccia vertebrale dei ratti adulti dopo le varie manipolazioni dietetiche ed ormonali conosciute contrassegnato per influenzare la concentrazione dell'osso di un pezzo scheletrico intatto.

La tecnica di nanoindentation valuta sia la durezza che l'elasticità del tessuto asciutto e bagnato dell'osso con un'alta risoluzione spaziale. Nanoindentation egualmente si è rivelato essere un metodo attendibile per valutare i beni meccanici intrinsechi delle unità strutturali del singolo osso (BSU). I beni elastici locali delle unità strutturali dell'osso sono stati trovati per variare significativamente fra le persone, le posizioni anatomiche, il tipo di osso (pianta interstiziale, osteonal e trabecular) e l'orientamento trabecular.

I risultati dello studio presente indicano che oltre alla geometria e al microarchitecture, i beni intrinsechi del tessuto dell'osso sono un determinante importante della competenza meccanica delle vertebre del ratto dopo il trattamento dietetico di OVX e l'assunzione povera in proteine.

Figura 1. curva di Forza-Spostamento di una prova di nanoindentation: caricando (1), tenendo (2), scaricando (3) di un suggerimento del penetratore. La terza parte piombo al ripristino elastico del materiale ed il suo pendio iniziale è usato per derivare il modulo elastico della dentellatura. L'isteresi rappresenta l'energia dissipata.

Nanoindentation rappresenta una prova dei beni meccanici intrinsechi del tessuto dell'osso. Questa tecnica acquista i dati di forza-spostamento di un penetratore piramidale del diamante che è stampato in un materiale. La Fig. 1 mostra la curva risultante che consiste di tre parti. Nella parte 1, il suggerimento del penetratore è caricato sul campione che risultati in una combinazione complessa di deformazione del rendimento del posto e dell'elastico.

A forza massima, il caricamento è piombo costante tenuto allo strisciamento del materiale sotto il suggerimento. Quando la forza sul suggerimento è rilasciata, la risposta elastica del materiale è individuata (Parte 3). Il pendio sul punto dello scarico iniziale è considerato di derivare i beni elastici del campione. Il pendio scaricante ha con:

(equ 1)

una relazione diretta con il CA di area di contatto (h)max ed il modulo diminuito Er. L'area di contatto è l'area del contatto aggettante fra il penetratore piramidale ed il campione e rappresenta un parametro di calibratura. Il modulo diminuito rappresenta una somma della conformità del materiale e del penetratore del diamante.

(equ.2)

La prima frazione è definita come il modulo della dentellatura e deriva dai beni conosciuti del suggerimento del penetratore e del modulo diminuito. Le associazioni del modulo della dentellatura con

(equ 3)

il modulo elastico ed il rapporto di Poisson locali dell'esemplare e rappresenta il primo parametro di interesse in questo documento. Il rapporto di forza massima e dell'area di contatto fornisce un secondo parametro meccanico, durezza:

(equ 4)

La Durezza può essere interpretata come pressione che media il materiale può resistere a.

Un terzo output dell'esperimento della dentellatura è stato considerato, cioè, l'area dell'isteresi (vedi la Fig. 1). Questo parametro ha la dimensione di lavoro meccanico e rappresenta l'energia dissipata durante la prova della dentellatura.

Figura 2. rappresentazione Schematica del comportamento elastoplastico sull'osso durante il nanoindentation

Per le prove di nanoindentation, la L5 ente vertebrale di ogni ratto è stata divisa al livello dei dischi intervertebrali. Gli esemplari dell'osso sono stati tenuti congelati fino al preparato per le prove meccaniche. La vertebra è stata tagliata trasversale in mezzo all'organismo circa d'altezza 8 millimetri. I campioni sono stati incassati in PMMA e la fronte di taglio del taglio trasversale era rifinitura lucidata con le 0,25 soluzioni del diamante del μm. Dopo questi punti del preparato, l'esemplare è stato asciugato per 24 h a 50°C.

Le prove meccaniche hanno incluso 9 margini sullo shell corticale di ogni organismo vertebrale, 3 margini al posteriore, tre alla laterale e tre più ulteriormente sul sito anteriore. Su ogni sito, tre margini sono stati fatti sul periosteal, la centrale e la posizione endosteal della matrice dell'osso (Fig. 3a) I margini è stata fatta funzionare a 900 profondità massime di nanometro che applicano un tasso di tensione approssimativo di ε = 0,066 1/s per sia caricamento che scaricare. Al caricamento massimo un il periodo d'immagazzinamento di 5 s è stato impiegato. Il limite della deriva termica massima permessa è stato fissato a 0,1 nm/s. I margini sono stati eseguiti al centro delle lamelle; i margini alla barriera di due lamelle si sono esclusi. Nello studio presente, soltanto l'osso corticale è stato collaudato, poiché il deterioramento e la distruzione principali della struttura trabecular sono stati osservati nei ratti di OVX hanno alimentato una dieta povera in proteine.

Figura 3a. Rappresentazione Schematica delle aree del margine. Sulle fette trasversali di ente vertebrale lombare, tre siti sono stati scelti: siti anteriori, posteriori e laterali (si veda la figura sinistra). Su ogni sito, tre posizioni sono state definite come struttura di interesse: le posizioni periosteal, centrali e endosteal (vedi la giusta parte della figura).

Calcoli 3b. Micrografia Ottica della dentellatura di Berkovich immagine ad alta definizione Trabecular/corticale del AFM e di Nanoindentation. (12 μm di X12 x 1,5)

Fattori Determinanti di Concentrazione dell'Osso

•        Distribuzione 3D

•        La Geometria

•        Microarchitecture

•        Quantità di Materiale

•        Qualità Materiale

•        Mineralizzazione

•        Matrice

•        Organizzazione

Risultati

Variazione delle Caratteristiche di Nanomechanical in Cortecce Vertebrali dell'Organismo

L'eterogeneità delle caratteristiche nanomechanical misurate in siti differenti della corteccia vertebrale dell'organismo, (cioè anteriore, posteriore e laterale) in primo luogo è stata valutata negli animali di controllo. Per tutti e tre i parametri meccanici (modulo delle dentellature, durezza e l'energia dissipata) i valori più bassi sono stati individuati sul sito anteriore.

Un ANOVA bidirezionale ha eseguito con posizione ed il sito come effetti fissi, indicati che il sito era altamente significativo per tutti questi tre parametri meccanici (P < 0,0001). La Posizione (periosteal, endosteal o centrale), d'altra parte, non era significativa (P > 0,6).

Effetto dell'Assunzione della Proteina sulle Caratteristiche di Nanomechanical

L'influenza di denutrizione isocalorica della proteina e dei supplementi degli amminoacidi essenziali poi è stata valutata.

ANOVA A Tre Corsie per il modulo della dentellatura che considera l'insieme di dati completo ha mostrato ancora l'alto significato globale per il sito (anteriore, laterale, posteriore) (P <0.001). La posizione di fattore (periosteal, endosteal, centrale) era moderatamente significativa (P = 0,029) ed il trattamento non era globalmente significativa (P = 0,65). Tuttavia, l'interazione fra il trattamento ed il sito era vicina al livello di significato (P = 0,06). Ciò piombo noi applicare una valutazione statistica determinata per ciascuno dei tre siti.

ANOVAs bidirezionale è stato eseguito con il trattamento e la posizione come effetti fissi. L'influenza del trattamento non era significativa (P > 0,1). Al contrario, la posizione di fattore era significativa per il sito anteriore (P = 0,013) e per il sito posteriore (P = 0,0002), ma non significativo per il sito laterale (P = 0,2). I beni nano-meccanici delle posizioni differenti sono presentati esclusivamente (Fig. 4). Il Confronto fra i gruppi del trattamento è stato fatto per tutte le posizioni. post hoc l'analisi ha mostrato che le diminuzioni significative dei beni nano-meccanici (P < 0,05) alla posizione endosteal nei ratti di OVX hanno alimentato la dieta povera in proteine rispetto alla FALSITÀ. Questa differenza era rilevabile per tutti e tre i parametri nanomechanical.

Sulla parte centrale del vertice posteriore, la durezza e l'energia dissipata sono state diminuite significativamente (P = 0,02 e P = 0,03, rispettivamente) in risposta al ovariectomy ed alla dieta povera in proteine. Nella posizione periosteal, l'alterazione significativa dei beni e della dissipazione di energia elastici fra i ratti di OVX e di FALSITÀ con la dieta povera in proteine egualmente è stata individuata (P = 0,01 e P = 0,02, rispettivamente).

La tendenza positiva dei supplementi degli amminoacidi essenziali sul modulo della dentellatura e sull'energia dissipata non era significativa (P < 0,1) alla posizione endosteal. C'era egualmente una tendenza per un effetto dei supplementi degli amminoacidi essenziali su durezza alla posizione centrale (Pb < 0,1). Per il modulo della dentellatura alla posizione periosteal, gli effetti dei supplementi dell'amminoacido essenziale erano quasi significativi (P = 0,06).

Risultati Meccanici Macroscopici Contro i Beni del Tessuto di Nanomechanical e la Massa del Minerale dell'Osso

Per la correlazione fra i dati nanomechanical e le prove macroscopiche, che sono stati ottenuti da compressione assiale dell'organismo vertebrale [2], i valori medi del modulo della dentellatura e di durezza e l'energia dissipata di ogni ratto sono stati usati (Fig. 5). L'energia Macroscopica ad errore ha mostrato una correlazione (R2 = 0,6) con l'energia dissipata della prova della dentellatura. L'ultima concentrazione Macroscopica correlata moderatamente con durezza (R2 = 0,27) e rigidezza non ha mostrato correlazione con i beni elastici intrinsechi.

La Figura 5. Risultati del nanoindentation prova al livello della parte posteriore dell'organismo vertebrale a tutti e tre i gruppi del trattamento (vedi il testo). *Statistically significativo (P < 0,05).

Il Confronto fra compressione assiale (vecchio metodo macroscopico) e la Nano-Dentellatura (Nuovo metodo nanometric) è perfettamente affidabile ma l'elasticità di nanoindentation più risultati su comportamento del tessuto al disgaggio basso.

Figura 6. Confronto fra la prova di compressione e il nanoindentation assiali

Conclusione

Lo studio presente ha mostrato un'eterogeneità dei beni intrinsechi del tessuto dell'osso dell'organismo vertebrale del ratto, che ha variato relativamente all'assunzione della proteina. L'assunzione Povera in proteine connessa con il ovariectomy, accoppiato con i supplementi degli amminoacidi essenziali, ha fatto diminuire i valori nanomechanical. Questi risultati sottolineano la capacità della tecnica di nanoindentation di individuare i cambiamenti indotti tramite le manipolazioni nutrizionali ed ormonali.

Le Correlazioni fra i risultati meccanici macroscopici come valutati da compressione assiale dell'organismo vertebrale ed i beni nanomechanical del tessuto suggeriscono che il comportamento postelastic macroscopico abbia variato forte con fragilità materiale individuata al livello del tessuto. La rigidezza Macroscopica tuttavia è stata dominata dai cambiamenti e da di meno della geometria dell'osso tramite le variazioni dei beni del tessuto, come il nanoindentation rivela. Altri materiali biologici mineralizzati quali la dentina, lo smalto e la cartilagine calcificata hanno potuto essere studiati dalla tecnica di nanoindentation.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano il Dott. Patrick Ammann da Servizio delle Malattie dell'Osso [Centro di Collaborazione del WHO per la Prevenzione di Osteoporosi], dal Dipartimento di Ripristino e dalla Geriatria, 7 l'Ospedale Universitario, Ginevra, Svizzera per l'uso del suo Documento completo di studi: Disossi ISSN 8756-3282 2005, il Volume 36, il no1, le Pp. 134-141 [8 pagine (articolo)] (28 Rif.)

Sorgente: Strumenti di CSM

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego gli Strumenti di CSM

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

Last Update: 9. December 2014 19:47

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