De Analyse en Nanoindentation van Nanoscale de Gevolgen Te Bestuderen van Osteoporose en Zijn Behandelingen voor de Kwaliteit van het Weefsel van het Been door CSM Instrumenten wordt Gebruikt dat

Besproken Onderwerpen

Achtergrond

De Analyse van Nanoscale

De Analyse van Nanoindentation

Determinanten van de Sterkte van het Been

Resultaten

Variatie van Kenmerken Nanomechanical in de WervelSchorsen van het Lichaam

Effect van EiwitOpname op Kenmerken Nanomechanical

Macroscopische Mechanische Resultaten Tegenover de Eigenschappen van het Weefsel Nanomechanical en de Minerale Massa van het Been

Conclusie

Acknowledgments

Achtergrond

De regeneratie van het Been geeft blijk van een belangrijke uitdaging aan orthopedische geneeskunde. De Huidige methodes voor de behandeling van massief beenverlies zijn hoofdzakelijk afhankelijk van kunstmatige prothesen. De Prothesen kunnen geen gebruik in elk geval zijn wegens de beperking van beweging en biocompatibilitykwesties. Op Dezelfde Manier kan de prothese op lange termijn ontbreken en in het verlies van functie en misschien morbiditeit resulteren.

De Analyse van Nanoscale

De Nieuwe die nanoscaleanalyse in beenderen wordt toegepast en andere gemineraliseerde biologische materialen laten een nieuw venster in de fijne details van mechanisch gedrag toe bij uiterst kleine schalen. De Micro en de macroscopische analyse, welke opbrengst van hoeveelheden over grotere lengteschalen het gemiddelde nam, kunnen niet genoeg gevoelig zijn om de onderliggende verschillen tussen twee gelijkaardige steekproeven te identificeren. Vandaar, nanoscale zijn de studies wenselijk voor de vastbesloten karakterisering van deze complexe materialen. Bovendien nanoscale zijn de methodologieën nuttig wanneer het beschikbare volume van materiaal voor grotere schaalanalyses, bijvoorbeeld met weefsel gebouwde beenvorming in kritiek-gerangschikte tekorten en rattenmodellen te klein is. De nauwkeurigheid van biomechanische verminderde eigenschappen is gebruikend de traditionele die theorie van de techniekstraal op gehele been buigende tests wordt toegepast aangaande muisbeen ook gevraagd.

De Analyse van Nanoindentation

De analyse van Nanoindentation heeft verschillen tussen corticaal en trabecular been, anisotropie, tijd afhankelijke plasticiteit, variaties als functie van afstand van het osteonalcentrum door de dijschors geconcentreerd, visco-elasticiteit en de variaties de toe te schrijven aan minerale inhoud.

om de rol van de intrinsieke kwaliteit van het beenweefsel in beensterkte te evalueren, werd een nanoindentationtest uitgevoerd op het niveau van de wervelschors van volwassen ratten na diverse dieet en hormonale die manipulaties worden gekend om beensterkte van een intact skeletachtig stuk duidelijk te beïnvloeden.

De nanoindentationtechniek beoordeelt zowel hardheid als elasticiteit van droog en nat beenweefsel met een hoge ruimteresolutie. Nanoindentation is ook bewezen om een betrouwbare methode te zijn om de intrinsieke mechanische eigenschappen van enige been structurele eenheden te beoordelen (BSU). De lokale elastische eigenschappen van been structurele eenheden werden gevonden om beduidend onder individuen, anatomische plaatsen, het type van been (interstitial, osteonal, en trabecular), en trabecular richtlijn te variëren.

De resultaten van de huidige studie wijzen erop dat naast meetkunde en microarchitecture, het intrinsieke bezit van het beenweefsel een belangrijke determinant van de mechanische bekwaamheid van rattenruggewervels na dieetbehandeling OVX en lage eiwitopname is.

Figuur 1. Kracht-Verplaatsing kromme van een nanoindentationtest: lading (1) die, holding (2), (3) van een indenter uiteinde leegmaakt. Het derde deel leidt tot elastische terugwinning van het materiaal en zijn aanvankelijke helling wordt gebruikt om de elastische inkepingsmodulus af te leiden. De hysterese vertegenwoordigt de verdreven energie.

Nanoindentation vertegenwoordigt een test van de intrinsieke mechanische eigenschappen van beenweefsel. Deze techniek verwerft kracht-verplaatsing gegevens van piramidale diamantindenter die in een materiaal wordt gedrukt. Fig. 1 toont de resulterende kromme die uit drie delen bestaat. In deel 1, wordt het indenter uiteinde geladen op de steekproef die in een complexe combinatie van elastische en postopbrengstmisvorming resulteert.

Bij maximumkracht, is de lading het gehouden constante leiden tot kruipen van het materiaal onder het uiteinde. Wanneer de kracht op het uiteinde wordt vrijgegeven, wordt de elastische reactie van het materiaal ontdekt (Deel 3). De helling op het punt van het aanvankelijke leegmaken wordt overwogen om de elastische eigenschappen van de steekproef af te leiden. De het leegmaken helling heeft met:

(equ 1)

een directe verhouding met het contactgebied Ac (h)max en de verminderde modulus ER. Het contactgebied is het ontworpen gebied van contact tussen piramidale indenter en de steekproef en vertegenwoordigt een kaliberbepalingsparameter. De verminderde modulus vertegenwoordigt een som van de naleving van het materiaal en diamantindenter.

(equ.2)

De eerste fractie wordt gedefinieerd als inkepingsmodulus en voortkomt uit de bekende eigenschappen van het indenter uiteinde en de verminderde modulus. De inkepingsmodulus combineert met

(equ 3)

de de lokale elastische modulus en Poisson verhouding van het specimen en vertegenwoordigen de eerste parameter van belang in dit document. De verhouding van maximumkracht en het contactgebied levert een tweede mechanische parameter, hardheid:

(equ 4)

De Hardheid kan als gemiddelde druk worden geïnterpreteerd het materiaal zich kan verzetten tegen.

Een derde output van het inkepingsexperiment werd in acht genomen, d.w.z., het gebied van de hysterese (zie Fig. 1). Deze parameter heeft de afmeting van het mechanische die werk en vertegenwoordigt de energie tijdens de inkepingstest wordt verdreven.

Figuur 2. Schematische vertegenwoordiging van het elasto-plastic gedrag op been tijdens nanoindentation

Voor de nanoindentationtests, werd het wervel5lichaam van L van elke rat ontleed op het niveau van de tussenwervelschijven. De beenspecimens werden gehouden tot voorbereiding voor de mechanische tests worden bevroren die. De ruggewervel werd gesneden transversally in het midden van het ongeveer 8 mm hoge lichaam. De steekproeven werden ingebed in PMMA en het gezicht van de transversale besnoeiing was opgepoetst eindigend met een 0.25 μm diamantoplossing. Na deze voorbereidingsstappen, was het specimen droog voor 24 h bij 50°C.

De mechanische tests omvatten 9 paragrafen op corticale shell van elk wervellichaam, 3 paragrafen bij het achterste, drie bij de zijde en drie verder op de voorafgaande plaats. Voor elke plaats, werden drie paragrafen gedaan op de periosteal, centrale, en endosteal plaats van de beenmatrijs (Fig. 3a) De paragrafen werden aan 900 NM maximumdiepte in werking gesteld die een benaderend spanningstarief toepast van ε = 0.066 1/s voor zowel lading als het leegmaken. Bij maximumlading was een periode van de 5 sholding aangewend. De grens van het maximum - de toelaatbare thermische afwijking werd geplaatst aan 0.1 nm/s. De paragrafen werden uitgevoerd op het centrum van de lamellen; de paragrafen bij de rand van twee lamellen waren uitgesloten. In de huidige studie, slechts werd het corticale been getest, aangezien de belangrijke verslechtering en de vernietiging van de trabecular structuur bij ratten OVX voedden een laag eiwitdieet werden waargenomen.

Cijfer 3a. Schematische vertegenwoordiging van de paragraafgebieden. Op transversale plakken van lumbaal wervellichaam, werden drie plaatsen gekozen: voorafgaande, latere, en zijplaatsen (zie linkercijfer). Voor elke plaats, werden drie plaatsen gedefinieerd als structuur van belang: de periosteal, centrale, en endosteal plaatsen (zie juist deel van het cijfer).

Cijfer 3b. Optische micrography van inkeping Berkovich op Trabecular/corticale Nanoindentation en high-resolution beeld AFM. (12 X12 x 1.5 μm)

Determinanten van de Sterkte van het Been

•        3D Verdeling

•        Meetkunde

•        Microarchitecture

•        Hoeveelheid Materiaal

•        Materiële Kwaliteit

•        Mineralisering

•        Matrijs

•        Organisatie

Resultaten

Variatie van Kenmerken Nanomechanical in de WervelSchorsen van het Lichaam

De ongelijksoortigheid van nanomechanical die kenmerken in verschillende plaatsen van de wervellichaamsschors worden gemeten, (namelijk voorafgaand, later, en zijde) werd eerst geëvalueerd in controlesdieren. Voor alle drie mechanische parameters (inkepingenmodulus, hardheid, en de verdreven energie) de lagere waarden werden ontdekt op de voorafgaande plaats.

Een bidirectionele die ANOVA met plaats en plaats als vaste gevolgen wordt uitgevoerd, toonde aan dat de plaats voor al deze drie mechanische parameters hoogst significant was (P < 0.0001). De Plaats (periosteal, endosteal of centraal), anderzijds, was niet significant (P > 0.6).

Effect van EiwitOpname op Kenmerken Nanomechanical

De invloed van isocaloric eiwitundernutrition en van essentiële aminozurensupplementen werd toen beoordeeld.

ANOVA Met Drie Richtingen voor inkepingsmodulus die de volledige gegevensreeks overweegt toonde opnieuw hoge globale betekenis voor de plaats (voorafgaand, zij, later) (P <0.001). De factorenplaats (periosteal, endosteal, centraal) was matig significant (P = 0.029), en de behandeling was niet globaal significant (P = 0.65). Nochtans, was de interactie tussen behandeling en plaats dicht op het betekenisniveau (P = 0.06). Dit bracht ons ertoe om een individuele statistische evaluatie elk van de drie plaatsen aan te vragen.

bidirectionele ANOVAs werd uitgevoerd met behandeling en plaats als vaste gevolgen. De invloed van de behandeling was niet significant (P > 0.1). In tegenstelling, was de factorenplaats significant voor de voorafgaande plaats (P = 0.013) en voor de latere plaats (P = 0.0002), maar niet significant voor de zijplaats (P = 0.2). De nano-mechanische eigenschappen van de verschillende plaatsen worden afzonderlijk voorgesteld (Fig. 4). De Vergelijking tussen de behandelingsgroepen werd gedaan voor alle plaatsen. post hoc toonde de analyse de significante dalingen van nano-mechanische eigenschappen (P < 0.05) bij de endosteal plaats bij ratten OVX het lage eiwitdieet vergeleken met VEINZERIJ voedden. Dit verschil was opspoorbaar voor alle drie nanomechanical parameters.

Op het centrale deel van de latere top, werden de hardheid en de verdreven energie beduidend verminderd (P = 0.02 en P = 0.03, respectievelijk) in antwoord op ovariectomy en het lage eiwitdieet. In periosteal plaats, werd de significante wijziging van elastische eigenschappen en energiedissipatie tussen VEINZERIJ en ratten OVX met het lage eiwitdieet ook ontdekt (P = 0.01 en P = 0.02, respectievelijk).

De positieve tendens van essentiële aminozurensupplementen op inkepingsmodulus en verdreven energie was niet significant (P < 0.1) bij de endosteal plaats. Er was ook een tendens voor een effect van essentiële aminozurensupplementen op hardheid bij de centrale plaats (Pb < 0.1). Voor inkepingsmodulus bij de periosteal plaats, waren de gevolgen van essentieel aminozuursupplementen bijna significant (P = 0.06).

Macroscopische Mechanische Resultaten Tegenover de Eigenschappen van het Weefsel Nanomechanical en de Minerale Massa van het Been

Voor de correlatie tussen nanomechanical gegevens en macroscopische tests, die door ascompressie van het wervellichaam [2] werden verkregen, werden de gemiddelde waarden van hardheid en inkepingsmodulus en de verdreven energie van elke rat gebruikt (Fig. 5). De Macroscopische energie aan mislukking toonde een correlatie (R2 = 0.6) met de verdreven energie van de inkepingstest. De Macroscopische uiteindelijke sterkte correleerde matig met hardheid (R2 = 0.27) en de stijfheid toonde geen correlatie met de intrinsieke elastische eigenschappen.

Figuur 5. Resultaten van de nanoindentationtests op het niveau van het latere deel van het wervellichaam voor alle drie behandelingsgroepen (zie tekst). *Statistically significant (P < 0.05).

De Vergelijking tussen ascompressie (oude macroscopische methode) en nano-Inkeping (Nieuwe nanometric methode) is volkomen betrouwbaar maar nanoindentation geeft meer resultaten op weefselgedrag bij lage schaal.

Figuur 6. Vergelijking tussen het ascompressie testen en nanoindentation

Conclusie

De huidige studie toonde een ongelijksoortigheid van de intrinsieke eigenschappen van het beenweefsel van het ratten wervellichaam, dat met betrekking tot eiwitopname varieerde. De Lage eiwitopname verbonden die aan ovariectomy, met essentiële aminozurensupplementen in paren wordt gerangschikt, verminderde de nanomechanical waarden. Deze resultaten onderstrepen de capaciteit van de nanoindentationtechniek die veranderingen te ontdekken door voedings en hormonale manipulaties worden veroorzaakt.

De Correlaties tussen macroscopische mechanische resultaten zoals die door ascompressie van het wervellichaam worden beoordeeld en nanomechanical weefseleigenschappen stellen voor dat het macroscopische postelastic gedrag sterk met materiële die breekbaarheid varieerde op het weefselniveau wordt ontdekt. De Macroscopische stijfheid werd nochtans overheerst door de veranderingen van de beenmeetkunde en minder door variaties van weefseleigenschappen, zoals nanoindentation openbaart. Andere gemineraliseerde biologische materialen zoals dentine, email en verkalkt kraakbeen zouden door de nanoindentationtechniek kunnen worden bestudeerd.

Acknowledgments

De auteurs danken Dr. Patrick Ammann van de Dienst van de Ziekten van het Been [het Samenwerkende Centrum van de WGO voor de Preventie van de Osteoporose], Afdeling van Rehabilitatie en Geriatrie, 7 het Universitaire Ziekenhuis, Genève, Zwitserland voor het gebruik van zijn volledig studiesDocument: Been ISSN 8756-3282 2005, volume 36, no1, blz. 134-141 [pagina 8 (artikel)] (28 ref.)

Bron: Instrumenten CSM

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Instrumenten CSM

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

Last Update: 9. December 2014 19:38

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit