Análise e Nanoindentation de Nanoscale Usados Para Estudar os Efeitos da Osteoporose e dos Seus Tratamentos na Qualidade do Tecido do Osso por Instrumentos do CSM

Assuntos Cobertos

Fundo

Análise de Nanoscale

Análise de Nanoindentation

Causas Determinantes da Força do Osso

Resultados

Variação de Características de Nanomechanical nos Córtices Vertebrais do Corpo

Efeito da Entrada da Proteína em Características de Nanomechanical

Resultados Mecânicos Macroscópicos Contra Propriedades do Tecido de Nanomechanical e Massa de Mineral do Osso

Conclusão

Reconhecimentos

Fundo

A regeneração do Osso apresenta um desafio principal à medicina ortopédica. Os métodos Actuais para o tratamento da perda maciça do osso são essencialmente dependentes das prótese artificiais. As Prótese não podem ser uso em todos os casos devido à limitação de edições do movimento e do biocompatibility. Similarmente, a prótese pode falhar a longo prazo e resultado na perda de função e possivelmente de morbosidade.

Análise de Nanoscale

A análise Nova do nanoscale aplicada nos ossos e outros materiais biológicos mineralizados permitem uma nova janela nos detalhes finos de comportamento mecânico extremamente em pequenas escalas. A Micro e análise macroscópica, que rendem quantidades calculadas a média sobre escalas maiores do comprimento, não pode ser sensível bastante identificar as diferenças subjacentes entre duas amostras similares. Daqui, os estudos do nanoscale são desejáveis para a caracterização resolved destes materiais complexos. Além, as metodologias do nanoscale são úteis quando o volume de material disponível é demasiado pequeno para análises de escala maior, por exemplo com formação projetada tecido do osso em defeitos e em modelos crítico-feitos sob medida do rato. A precisão das propriedades biomecânicas reduzidas usando a teoria tradicional do feixe da engenharia aplicada aos testes de dobra inteiros do osso no osso do rato foi questionada igualmente.

Análise de Nanoindentation

A análise de Nanoindentation focalizou diferenças entre cortical e o osso trabecular, anisotropia, cronometre a plasticidade dependente, as variações em função da distância do centro do osteonal através do córtice femoral, o viscoelasticity e as variações devido ao índice mineral.

A fim avaliar o papel da qualidade intrínseca do tecido do osso na força do osso, um teste do nanoindentation foi executado a nível do córtice vertebral de ratos adultos após as várias manipulações dietéticas e hormonais conhecidas para influenciar marcada a força do osso de uma parte esqueletal intacto.

A técnica do nanoindentation avalia a dureza e a elasticidade do tecido seco e molhado do osso com uma definição espacial alta. Nanoindentation foi provado igualmente ser um método seguro para avaliar as propriedades mecânicas intrínsecas de unidades estruturais do único osso (BSU). As propriedades elásticas locais de unidades estruturais do osso foram encontradas para variar significativamente entre indivíduos, lugar anatômicos, o tipo de osso (interstício, osteonal, e trabecular), e a orientação trabecular.

Os resultados do estudo actual indicam que além da geometria e do microarchitecture, a propriedade intrínseca do tecido do osso é uma causa determinante importante da competência mecânica das vértebras do rato após o tratamento dietético de OVX e a baixa entrada da proteína.

Figura 1. curva do Força-Deslocamento de um teste do nanoindentation: carga (1), terra arrendada (2), descarregando (3) de uma ponta do indenter. A terceira parte conduz à recuperação elástica do material e sua inclinação inicial é usada para derivar o módulo elástico do recorte. A histerese representa a energia dissipada.

Nanoindentation representa um teste das propriedades mecânicas intrínsecas do tecido do osso. Esta técnica adquire dados do força-deslocamento de um indenter piramidal do diamante que seja pressionado em um material. O Fig. 1 mostra a curva resultante que consiste em três porções. Na parte 1, a ponta do indenter é carregada na amostra que resultados em uma combinação complexa de deformação do rendimento do elástico e do cargo.

No máximo a força, a carga é condução constante guardarada ao rastejamento do material abaixo da ponta. Quando a força na ponta é liberada, a resposta elástica do material está detectada (Parte 3). A inclinação no ponto do descarregamento inicial é considerada derivar as propriedades elásticas da amostra. A inclinação de descarregamento tem com:

(equ 1)

um relacionamento directo com a C.A. da área de contacto (h)max e o módulo reduzido Er. A área de contacto é a área de contacto projetada entre o indenter piramidal e a amostra e representa um parâmetro de calibração. O módulo reduzido representa uma soma da conformidade do material e do indenter do diamante.

(equ.2)

A primeira fracção é definida como o módulo do recorte e deriva-se das propriedades conhecidas da ponta do indenter e do módulo reduzido. As ligas do módulo do recorte com

(equ 3)

o módulo elástico e a relação de Poisson locais do espécime e representam o primeiro parâmetro do interesse neste papel. A relação da força máxima e da área de contacto fornece um segundo parâmetro mecânico, dureza:

(equ 4)

A Dureza pode ser interpretada como uma pressão que média o material pode resistir.

Uma terceira saída da experiência do recorte foi levada em consideração, isto é, a área da histerese (veja Fig. 1). Este parâmetro tem a dimensão do trabalho mecânico e representa a energia dissipada durante o teste do recorte.

Figura 2. representação Esquemática do comportamento do elasto-plástico no osso durante o nanoindentation

Para os testes do nanoindentation, o L5 corpo vertebral de cada rato foi dissecado a nível dos discos intervertebral. Os espécimes do osso foram mantidos congelados até a preparação para os testes mecânicos. A vértebra foi cortada transversally no meio do corpo de aproximadamente 8 milímetros de altura. As amostras foram encaixadas em PMMA e a face do corte transversal era revestimento lustrado com umas 0,25 soluções do diamante do μm. Após estas etapas da preparação, o espécime foi secado para 24 h em 50°C.

Os testes mecânicos incluíram 9 recortes no escudo cortical de cada corpo vertebral, 3 recortes no traseiro, três na lateral e três mais no local anterior. Em cada local, três recortes foram feitos no periosteal, a central, e o lugar endosteal da matriz do osso (Fig. 3a) Os recortes foi executado a 900 profundidades máximas do nanômetro que aplicam uma taxa de tensão aproximada de ε = 0,066 1/s para a carga e o descarregamento. Carregue No máximo um período de estoque de 5 s foi empregado. O limite do máximo - a tracção térmica permissível foi ajustada a 0,1 nm/s. Os recortes foram executados no centro dos lamellae; os recortes na borda de dois lamellae foram excluídos. No estudo actual, somente o osso cortical foi testado, desde que a deterioração e a destruição principais da estrutura trabecular foram observadas em ratos de OVX alimentaram uma baixa dieta da proteína.

Figura 3a. Representação Esquemática das áreas do recorte. Em fatias transversal de corpo vertebral lombar, três locais foram escolhidos: locais anteriores, traseiros, e laterais (veja a figura esquerda). Em cada local, três lugar foram definidos como a estrutura do interesse: os lugar periosteal, centrais, e endosteal (veja a parte direita da figura).

Figure 3b. Micrografia Óptica do recorte de Berkovich imagem Trabecular/cortical da alta resolução de Nanoindentation e de AFM. (12 μm de X12 x 1,5)

Causas Determinantes da Força do Osso

•        Repartition 3D

•        Geometria

•        Microarchitecture

•        Uma Quantidade de Material

•        Qualidade Material

•        Mineralização

•        Matriz

•        Organização

Resultados

Variação de Características de Nanomechanical nos Córtices Vertebrais do Corpo

A heterogeneidade das características nanomechanical medidas em locais diferentes do córtice vertebral do corpo, (isto é, anterior, traseiro, e lateral) foi avaliada primeiramente em animais de controles. Para todos os três parâmetros mecânicos (módulo dos recortes, dureza, e a energia dissipada) mais baixos os valores foram detectados no local anterior.

Um ANOVA em dois sentidos executou com o lugar e o local como os efeitos fixos, mostrados que o local era altamente significativo para todos estes três parâmetros mecânicos (P < 0,0001). O Lugar (periosteal, endosteal ou central), por outro lado, não era significativo (P > 0,6).

Efeito da Entrada da Proteína em Características de Nanomechanical

A influência da desnutrição isocaloric da proteína e de suplementos aos ácidos aminados essenciais foi avaliada então.

ANOVA Tripartido para o módulo do recorte que considera a série de dados completa mostrou outra vez o significado global alto para o local (anterior, lateral, traseiro) (P <0.001). O lugar do factor (periosteal, endosteal, central) era moderada significativo (P = 0,029), e tratamento não era global significativo (P = 0,65). Contudo, a interacção entre o tratamento e o local era próxima ao nível de significado (P = 0,06). Isto conduziu-nos aplicar uma avaliação estatística individual para cada um dos três locais.

ANOVAs em dois sentidos foi executado com o tratamento e o lugar como efeitos fixos. A influência do tratamento não era significativa (P > 0,1). Ao contrário, o lugar do factor era significativo para o local anterior (P = 0,013) e para o local traseiro (P = 0,0002), mas nao significativo para o local lateral (P = 0,2). As propriedades nano-mecânicas dos lugar diferentes são apresentadas separada (Fig. 4). A Comparação entre os grupos do tratamento foi feita para todos os lugar. a análise hoc do cargo mostrou que as diminuições significativas de propriedades nano-mecânicas (P < 0,05) no lugar endosteal em ratos de OVX alimentaram a baixa dieta da proteína em comparação ao LOGRO. Esta diferença era detectável para todos os três parâmetros nanomechanical.

Na parte central do vértice traseiro, a dureza e a energia dissipada foram reduzidas significativamente (P = 0,02 e P = 0,03, respectivamente) em resposta ao ovariectomy e à baixa dieta da proteína. No lugar periosteal, a alteração significativa das propriedades e da dissipação de energia elásticas entre ratos do LOGRO e do OVX com a baixa dieta da proteína foi detectada igualmente (P = 0,01 e P = 0,02, respectivamente).

A tendência positiva de suplementos aos ácidos aminados essenciais no módulo do recorte e em energia dissipada não era significativa (P < 0,1) no lugar endosteal. Havia igualmente uma tendência para um efeito de suplementos aos ácidos aminados essenciais na dureza no lugar central (Pb < 0,1). Para o módulo do recorte no lugar periosteal, os efeitos de suplementos ao ácido aminado essencial eram quase significativos (P = 0,06).

Resultados Mecânicos Macroscópicos Contra Propriedades do Tecido de Nanomechanical e Massa de Mineral do Osso

Para a correlação entre os dados nanomechanical e os testes macroscópicos, que foram obtidos pela compressão axial do corpo vertebral [2], os valores médios do módulo da dureza e do recorte e a energia dissipada de cada rato foram usados (Fig. 5). A energia Macroscópica à falha mostrou uma correlação (R2 = 0,6) com a energia dissipada do teste do recorte. A força final Macroscópica correlacionada moderada com a dureza (R2 = 0,27) e a rigidez não mostrou nenhuma correlação com as propriedades elásticas intrínsecas.

A Figura 5. Resultados do nanoindentation testa a nível da parte traseiro do corpo vertebral para todos os três grupos do tratamento (veja o texto). *Statistically significativo (P < 0,05).

A Comparação entre a compressão axial (método macroscópico velho) e o Nano-Recorte (método nanometric Novo) é perfeitamente segura mas o nanoindentation dá mais resultados no comportamento do tecido na baixa escala.

Figura 6. Comparação entre o teste da compressão e o nanoindentation axiais

Conclusão

O estudo actual mostrou uma heterogeneidade de propriedades intrínsecas do tecido do osso do corpo vertebral do rato, que variou com relação à entrada da proteína. A Baixa entrada da proteína associada com o ovariectomy, emparelhado com os suplementos aos ácidos aminados essenciais, diminuiu os valores nanomechanical. Estes resultados sublinham a capacidade da técnica do nanoindentation detectar as mudanças induzidas por manipulações nutritivas e hormonais.

As Correlações entre resultados mecânicos macroscópicos como avaliados pela compressão axial do corpo vertebral e propriedades nanomechanical do tecido sugerem que o comportamento postelastic macroscópico varie fortemente com a fragilidade material detectada no nível do tecido. A rigidez Macroscópica contudo foi dominada por mudanças e por menos da geometria do osso por variações de propriedades do tecido, como o nanoindentation revela. Outros materiais biológicos mineralizados tais como a dentina, o esmalte e a cartilagem calcificada podiam ser estudados pela técnica do nanoindentation.

Reconhecimentos

Os autores agradecem ao Dr. Patrick Ammann do Serviço das Doenças do Osso [Centro de Colaboração do WHO para a Prevenção da Osteoporose], do Departamento da Reabilitação e da Geriatria, Hospital de 7 Universidades, Genebra, Suíça para o uso de seu Papel completo dos estudos: Desosse ISSN 8756-3282 2005, Vol. 36, no1, pp. 134-141 [8 páginas (artigo)] (referência 28.)

Source: Instrumentos do CSM

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Instrumentos do CSM

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

Last Update: 9. December 2014 19:56

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit