Регенерация кости представляет собой серьезную проблему для ортопедической медицины. Современные методы лечения массивной потери костной массы существенно зависят от искусственного протеза. Протезы не могут быть использованы в любом случае из-за ограничения движений и биосовместимость вопросов. Кроме того, протез может потерпеть неудачу в долгосрочной перспективе, и приводит к потере функции и, возможно, заболеваемости. Анализ наноразмерных Новые наноразмерные анализ применяемых в кости и другие минерализованной биологических материалов позволяют новое окно в мелкие детали механического поведения при крайне малых масштабах. Микро-и макроскопические анализа, которые дают усредненные величины на больших масштабах длины, не могут быть достаточно чувствительны, чтобы определить основные различия между двумя аналогичными образцами. Таким образом, наноразмерных исследований желательно, чтобы решить характеристике этих сложных материалов. Кроме того, нано методики полезны, когда объем имеющихся материалов слишком мал для увеличения масштаба анализа, например, с тканью инженерии формирование кости в критических размеров дефектов и крысы моделей. Точность биомеханических свойств восстанавливается с помощью традиционной теории пучков инженерных применяется для целого кость изгиб на мышах кости также подвергались сомнению. Анализ Наноиндентирование Наноиндентирование анализа сосредоточились различия между корковой и губчатой кости, анизотропия, зависящие от времени пластичность, вариации в зависимости от расстояния от центра osteonal через бедренную коры, вязкоупругости и изменения из-за минерального содержания. Для того чтобы оценить роль собственных качества костной ткани в прочности костей, наноиндентирования Тест проводился на уровне позвоночного коры взрослых крыс после различных диетических и гормональные манипуляции известно заметное влияние на прочность кости из целой скелетной части. Наноиндентирования техника оценивает как твердость и эластичность сухой и мокрой костной ткани с высоким пространственным разрешением. Наноиндентирование также оказался надежным методом для оценки собственного механического свойства отдельных костей структурных единиц (БГУ). Локальных упругих свойств костной структурные подразделения оказались существенно различаться между отдельными людьми, анатомических местах, типа кости (интерстициальный, osteonal и трабекулярной) и трабекулярной ориентации. Результаты настоящего исследования показывают, что кроме геометрии и микроархитектура, внутреннее свойство костной ткани является важным фактором, определяющим механические компетенции крысы позвонков после диетического лечения OVX и низкое потребление белка.  Рисунок 1 сила-смещение кривой наноиндентирования тест:. Загрузкой (1), держа (2), разгрузка (3) от кончика индентора. Третья часть приводит к упругому восстановлению материала и его начальный наклон используется для получения модуля упругости отступа. Гистерезис представляет рассеиваемой энергии. Наноиндентирование представляет испытание внутренних механических свойств костной ткани. Этот метод приобретает сила-смещение данных пирамидальной индентора алмаз, который вдавливается в материал. Рис. 1 показана результирующая кривая, которая состоит из трех частей. В части 1, наконечник индентора загружается на образец, что приводит к сложной комбинации упругих и после выхода деформации. При максимальной силе, нагрузка остается постоянной, ведущих к ползучести материала ниже кончика. Когда силы на кончике освобождается, упругий отклик материала обнаруживается (часть 3). Склона в точке начального разгрузки считается для получения упругих свойств образца. Разгрузке склона с:  (Фас 1) прямой связи с площади контакта Ас (ч макс) и приведенного модуля Er. Площадь контакта, является прогнозируемое площадь контакта между пирамидальными индентора и образца и представляет калибровки параметра. Приведенный модуль представляет собой сумму соответствие материала и индентора алмаза.  (Equ.2) Первая фракция определяется как отступ модуля и вытекает из известных свойств наконечника индентора и приведенного модуля. Отступы модуль в сочетании с  (Фас 3) местный модуль упругости и коэффициент Пуассона образца и является первым параметром интерес к этой бумаге. Отношение максимальной силы и площади контакта поставок второго механических параметров, твердости:  (Фас 4) Твердость можно интерпретировать как среднее давление материал может сопротивляться. Третий выход отступы эксперимент был учтен, то есть, площадь гистерезиса (см. рис. 1). Этот параметр имеет размерность механической работы и представляет энергии рассеивается во время отступа тест.  Рисунок 2. Схематическое изображение упруго-пластического поведения на кости во время наноиндентирования Для наноиндентирования тесты, L 5 позвонков каждой крысы было расчлененным на уровне межпозвоночных дисков. Кости образцы хранились в замороженном виде до подготовки к механическим испытаниям. Позвонка был сокращен трансверсально в середине примерно 8 мм в высоту тела. Образцы были встроены в ПММА и лицом поперечного разреза полированной отделки с 0,25-мкм алмазом решение. После этих подготовительных шагов, образцы сушили в течение 24 ч при температуре 50 ° C. Механических испытаний вошли 9 отступы на корковые оболочки каждого тела позвонка, 3 отступы на задней, три на боковых и еще три на передней сайта. На каждом сайте, трех абзацах были сделаны на периостальной, центральной и эндостальной расположения костного матрикса (рис. 3а) отступы были запущены до 900 нм, максимальная глубина применения примерный курс штамм ε = 0,066 1 / с для как погрузки и разгрузки. При максимальной нагрузке 5-ые период владения работал. Предел максимально допустимого температурного дрейфа была установлена на 0,1 нм / с Отступы были проведены в центре ламелей; отступы по краям две ламели, были исключены. В настоящем исследовании, только кортикальной кости был проверен, так как значительное ухудшение и разрушение трабекулярной структуры наблюдается в OVX крыс низким содержанием белка.  На рис.3. Схематическое изображение отступа областях. На поперечный ломтиками поясничных позвонков, три места были выбраны: передняя, задняя и боковые участки (см. рисунок слева). На каждом сайте, в трех местах были определены как структуры, представляющие интерес: периостальной, центральной и эндостальной местах (см. правую часть рисунка).  На рисунке 3б. Оптический микрографии отступа Беркович на трабекулярной / корковых Наноиндентирование и АСМ изображения с высоким разрешением. (12 х 12 х 1,5 мкм) Детерминанты прочности кости · 3D передел · Геометрия · Микроархитектура · Количество материала · Материал Качество · Минерализация · Матрица · Организация Результаты Изменение наномеханические характеристик в коре позвоночного тела Неоднородность наномеханические характеристики, измеренные в различных участках позвоночного коры тела, (то есть, передней, задней и боковых) впервые оценивается в контрольной группе животных. Для всех трех механических параметров (углублений модуль, твердость и рассеиваемой энергии) более низкие значения были обнаружены на передней сайта. Двусторонняя ANOVA осуществляется с расположением и сайт, как фиксированные эффекты, показал, что сайт был очень важным для всех этих трех механических параметров (р <0,0001). Место нахождения (периостальной, эндостальной или центральный), с другой стороны, не было статистически значимым (р> 0,6). Влияние потребления белка на наномеханические Характеристики Влияние isocaloric недоедание белка и незаменимых аминокислот добавки кислот затем оцениваются. Трехходовой ANOVA для отступа модуль учитывая полный набор данных показал, снова высокий глобальное значение для сайта (передние, боковые, задние) (р <0,001). Фактор местоположения (периостальной, эндостальной, центральный) была умеренно значимым (P = 0,029), и лечение было не глобально значимой (р = 0,65). Тем не менее, взаимодействие между лечением и сайт был близок к уровню значимости (p = 0,06). Это заставило нас применить отдельные статистические оценки для каждого из трех участков. Двусторонняя ANOVAs проводились с лечением и месту фиксированными эффектами. Влияние лечения не было статистически значимым (р> 0,1). В отличие от фактора место было значимым для передних сайта (P = 0,013) и для задних сайта (р = 0,0002), но не имеет существенного значения для боковых сайта (P = 0,2). Нано-механических свойств различных местах являются представленные отдельно (рис. 4). Сравнение между группами лечения было сделано для всех местоположений. постфактум анализ показал значительное снижение нано-механические свойства (Р <0,05) на эндостальной место в OVX крыс низким содержанием белка по сравнению с обманом. Это различие было обнаружено для всех трех наномеханические параметров. В центральной части задней вершины, твердость и рассеянной энергии значительно снизились (р = 0,02 и р = 0,03 соответственно) в ответ на овариэктомии и низким содержанием белка. В периостальной месте, значительному изменению упругих свойств и диссипации энергии между ШАМ и OVX крыс с низким содержанием белка также была обнаружена (Р = 0,01 и р = 0,02 соответственно). Позитивная тенденция незаменимых аминокислот добавки кислот на углубление модуля и рассеянной энергии не было существенным (P <0,1) в эндостальной месте. Существовал также тенденция влияния незаменимых аминокислот добавки кислот на твердость в центре города (Pb <0,1). Для углубления модуля в периостальной месте, эффекты основных Аминокислоты были почти значимым (P = 0,06). Макроскопические Механические Результаты Versus наномеханические свойства тканей и костной массы минеральных Для корреляции между наномеханические данных и макроскопические испытания, которые были получены осевое сжатие тела позвонка [2], средние значения твердости и отступы модуля и рассеянной энергии каждой крысы были использованы (рис. 5). Макроскопические энергии на провал показал корреляции (R 2 = 0.6) с рассеиваемой энергии отступы тест. Макроскопические предел прочности коррелировала с умеренной жесткости (R 2 = 0,27) и жесткость показали никакой корреляции с собственными упругими свойствами.  Рисунок 5. Результаты тестов наноиндентирования на уровне задней части тела позвонка для всех трех групп лечения (см. текст). * Статистически значимое (Р <0,05). Сравнение между осевого сжатия (старый макроскопических метод) и нано-отступы (Нью-нанометрового метод) совершенно надежной, но наноиндентирования дать больше результатов на ткани поведения при низкой шкале.  Рисунок 6. Сравнение между осевыми испытания на сжатие и наноиндентирования Заключение Настоящее исследование показало, неоднородность внутренней костной ткани свойства крысы тела позвонка, которое изменяется в зависимости от потребления белка. Низкое потребление белка, связанного с овариэктомии, в паре с незаменимых аминокислот добавки кислот, снижение наномеханические ценностей. Эти результаты подчеркивают мощность наноиндентирования технику для обнаружения изменений, вызванных питания и гормональных манипуляций. Корреляция между макроскопических механических результаты по оценке осевое сжатие тела позвонка и наномеханические свойства ткани позволяют предположить, что макроскопические postelastic поведение сильно разнообразный материал с хрупкостью обнаружены на тканевом уровне. Макроскопические жесткость однако преобладали кости изменения геометрии и в меньшей степени изменения тканей свойства, как наноиндентирования раскрывает. Другие минерализованной биологических материалов, таких как дентин, эмаль и кальцинированная хрящ может быть изучен наноиндентирования техники. Благодарности Авторы выражают благодарность Доктор Патрик Амманн из службы костных заболеваний [Сотрудничающий центр ВОЗ для профилактики остеопороза], департамент реабилитации и гериатрии, 7 университетской больницы в Женеве, Швейцария за использование его полное бумаги исследований: Кость ISSN 8756-3282 2005, т. . 36, № 1, стр. 134-141 [8 страниц (ы) (статья)] (28 ссылка) |