Анализ и Nanoindentation Nanoscale Используемые для того чтобы Изучить Влияния Остеопороза и Своих Обработок на Качестве Ткани Косточки Аппаратурами CSM

Покрытые Темы

Предпосылка

Анализ Nanoscale

Анализ Nanoindentation

Определители Прочности Косточки

Результаты

Изменение Характеристик Nanomechanical в Vertebral Корках Тела

Влияние Входа Протеина на Характеристиках Nanomechanical

Макроскопические Механически Результаты Против Свойств Ткани Nanomechanical и Массы Минерала Косточки

Заключение

Подтверждения

Предпосылка

Регенерация Косточки представляет главную возможность к протезной медицине. Настоящие методы для обработки массивнейшей потери косточки зависел существенно на искусственних протезах. Протезы не могут быть пользой в каждый случай должный к ограничению вопросов движения и biocompatibility. Подобно, протез может вылтить из строя в долгосрочном плане и результат в потере функции и по возможности заболеваемости.

Анализ Nanoscale

Новый анализ nanoscale прикладной в косточках и другие минерализированные биологические материалы включают новое окно в точные детали механически поведения на весьма малых масштабах. Микро- и макроскопический анализ, который производит усредненные количества над более большими маштабами длины, не может быть чувствительн достаточно определить основные разницы между 2 подобными образцами. Следовательно, изучения nanoscale желательны для resolved характеризации этих сложных материалов. В добавлении, методологии nanoscale полезны когда том материала доступный слишком мал для анализов большойа диапазон, например с проектированным тканью образованием косточки в критическ-определенных размер дефектах и моделях крысы. Точность biomechanical свойств уменьшенных используя традиционную теорию луча инженерства прикладную к всем пробам на изгиб косточки на косточке мыши также была спрошена.

Анализ Nanoindentation

Анализ Nanoindentation фокусировал разницы между кортикальным и trabecular косточкой, неизотропность, приурочьте зависимую пластичность, изменения как функция расстояния от центра osteonal через бедровую корку, вискоэластичность и изменения должные к минеральному содержанию.

Для того чтобы оценить роль внутреннеприсущего качества ткани косточки в прочности косточки, испытание nanoindentation было выполнено на уровне vertebral коркы взрослых крыс после различных диетических и гормональных манипуляций известные, что заметно повлияло на прочность косточки неповрежденной скелетной части.

Метод nanoindentation определяет и твердость и упругость сухой и влажной ткани косточки с высоким пространственным разрешением. Было доказаны, что будет Nanoindentation также надежным методом для того чтобы определить внутреннеприсущие механически свойства блоков одиночной косточки структурных (BSU). Были найдены, что поменяли местные эластичные свойства блоков косточки структурных значительно среди индивидуалов, анатомических положений, типа косточки (interstitial, osteonal, и trabecular), и trabecular ориентации.

Результаты текущего исследования показывают что кроме геометрии и microarchitecture, внутреннеприсущее свойство ткани косточки важный определитель механически правомочности позвонков крысы после диетической обработки OVX и низкопротеинового входа.

Диаграмма 1. кривый Усили-Смещения испытания nanoindentation: нагрузка (1), удерживание (2), разгржая (3) из подсказки индентера. Третья часть водит к упругой релаксации материала и свой начальный наклон использован для того чтобы вывести эластичный модуль вмятия. Гистерезис представляет рассеиванную энергию.

Nanoindentation представляет испытание внутреннеприсущих механически свойств ткани косточки. Этот метод приобретает данные по усили-смещения pyramidal индентера диаманта который отжат в материал. FIG. 1 показывает приводя к кривый которая состоит из 3 частей. В части 1, подсказка индентера нагружена на образец который результаты в сложной деформации выхода эластика и столба сочетание из.

На максимальном усилии, нагрузка, котор держат постоянн ведение к ползучести материала под подсказкой. Когда усилие на подсказке выпущено, обнаружена эластичная реакция материала (Часть 3). Рассмотрены, что выводит наклон с точки зрения начальный разгржать эластичные свойства образца. Разгржая наклон имеет с:

(equ 1)

сразу отношение с Ac площади контакта (hmax) и уменьшенным модулем Er. Площадь контакта общая поверхность формования контакта между pyramidal индентером и образцом и представляет параметр тарировки. Уменьшенный модуль представляет сумму соответствия материала и индентера диаманта.

(equ.2)

Первая часть определена как модуль вмятия и выводит от известных свойств подсказки индентера и уменьшенного модуля. Зернокомбайны модуля вмятия с

(equ 3)

местные модуль пластичности и коэффициент Poisson образца и представляют первый параметр интереса в этой бумаге. Коэффициент максимального усилия и площади контакта поставляет второй механически параметр, твердость:

(equ 4)

Твердость можно интерпретировать как среднее давление материал может сопротивлять.

Был учтен третий выход эксперимента по вмятия, т.е., зона гистерезиса (см. FIG. 1). Этот параметр имеет размер механически работы и представляет энергию рассеиванную во время испытания вмятия.

Диаграмма 2. Схематическое представление поведения elasto-пластмассы на косточке во время nanoindentation

Для испытаний nanoindentation, L5 vertebral тело каждой крысы был рассечен на уровне межпозвоночных дисков. Образцы косточки не будут сдержаны замерзано до подготовки для механически испытаний. Позвонок был отрезан transversally в середине приблизительно 8 mm высокого тела. Образцы были врезаны в PMMA и сторона поперечного отрезка была отполированной отделкой с 0,25 разрешениями диаманта μm. После этих шагов подготовки, образец был высушен для 24 h на 50°C.

Механически испытания включили 9 indents на кортикальной раковине каждого vertebral тела, 3 indents на posterior, 3 на боковой части и 3 более далее на anterior месте. На каждом месте, 3 indents были сделаны на periosteal, централь, и endosteal положение матрицы косточки (FIG. 3a) Indents работалось до 900 глубин nm максимальных прикладывая приблизительный тариф напряжения ε = 0,066 1/s как для нагрузки, так и для разгржать. На максимальной нагрузке время удерживания 5 s использовал. Предел максимума - позволяемое термальное смещение было установлено до 0,1 nm/s. Indents были выполнены на центре ламелл; indents на крае 2 ламелл были исключены. В текущем исследовании, только была испытана кортикальная косточка, в виду того что главные ухудшение качества и разрушение trabecular структуры наблюдались в крысах OVX подали низкопротеиновое диетпитание.

Диаграмма 3a. Схематическое представление зон indent. На transversal ломтиках поясничного vertebral тела, были выбраны 3 места: anterior, posterior, и боково места (см. левую диаграмму). На каждом месте, 3 положения были определены как структура интереса: periosteal, центральные, и endosteal положения (см. правую часть диаграммы).

Вычисляйте 3b. Оптически микрография вмятия Berkovich на Trabecular/кортикальном изображении высок-разрешения Nanoindentation и AFM. (μm 12 x 12 x 1,5)

Определители Прочности Косточки

•        Передел 3D

•        Геометрия

•        Microarchitecture

•        Количество Материала

•        Материальное Качество

•        Орудение

•        Матрица

•        Организация

Результаты

Изменение Характеристик Nanomechanical в Vertebral Корках Тела

Разнородность nanomechanical характеристик измеренных в различных местах vertebral коркы тела, (то есть, anterior, posterior, и боково части) сперва была оценена в животных управления. Для всех 3 механически параметров (модуля вмятий, твердости, и рассеиванной энергии) более низкие значения были обнаружены на anterior месте.

Двухстороннее ANOVA выполнило с положением и местом как фикчированные влияния, показанные что место было сильно значительно для всех этих 3 механически параметров (P < 0,0001). Положение (periosteal, endosteal или центрально), с другой стороны, не было значительно (P > 0,6).

Влияние Входа Протеина на Характеристиках Nanomechanical

Влияние изокалорического undernutrition протеина и дополнений необходимых аминокислот после этого было определено.

Трехстороннее ANOVA для модуля вмятия рассматривая полный набор данных показывало снова высокую глобальную значительность для места (anterior, боково, posterior) (P <0.001). Положение фактора (periosteal, endosteal, центрально) была вмеру значительно (P = 0,029), и обработки не было глобально значительно (P = 0,65). Однако, взаимодействие между обработкой и местом было близко к уровню значительности (P = 0,06). Это вело нас приложить индивидуальную статистическую оценку для каждого из 3 мест.

двухстороннее ANOVAs было выполнено с обработкой и положением как фикчированные влияния. Влияние обработки не было значительно (P > 0,1). В контрасте, положение фактора было значительно для anterior места (P = 0,013) и для места posterior (P = 0,0002), но не значительно для бокового места (P = 0,2). Nano-механически свойства различных положений отдельно приведены (FIG. 4). Сравнение между группами обработки было сделано для всех положений. анализ столба hoc показал что значительно уменшения nano-механически свойств (P < 0,05) на endosteal положении в крысах OVX подали низкопротеиновое диетпитание по сравнению с ПОДДЕЛКОЙ. Эта разница была обнаружена для всех 3 nanomechanical параметров.

На центральной части вершины posterior, твердость и рассеиванная энергия значительно были уменьшены (P = 0,02 и P = 0,03, соответственно) в ответ на ovariectomy и низкопротеиновое диетпитание. В periosteal положении, значительно изменение эластичных свойств и диссипации энергии между крысами ПОДДЕЛКИ и OVX с низкопротеиновым диетпитанием также было обнаружено (P = 0,01 и P = 0,02, соответственно).

Положительная тенденция дополнений необходимых аминокислот на модуле вмятия и рассеиванной энергии не была значительно (P < 0,1) на endosteal положении. Была также тенденция для влияния дополнений необходимых аминокислот на твердости на центральном местоположении (Pb < 0,1). Для модуля вмятия на periosteal положении, влияния дополнений необходимой аминокислоты были почти значительно (P = 0,06).

Макроскопические Механически Результаты Против Свойств Ткани Nanomechanical и Массы Минерала Косточки

Для корреляции между nanomechanical данными и макроскопическими испытаниями, которые были получены осевым сжатием vertebral тела [2], были использованы средние значения модуля твердости и вмятия и рассеиванная энергия каждой крысы (FIG. 5). Макроскопическая работа на излом показала корреляцию (R2 = 0,6) с рассеиванной энергией испытания вмятия. Макроскопическая типичная прочность сопоставленная вмеру с твердостью (R2 = 0,27) и жесткостью не показала никакую корреляцию с внутреннеприсущими эластичными свойствами.

Диаграмма 5. Результаты nanoindentation испытывает на уровне части posterior vertebral тела для всех 3 групп обработки (см. текст). *Statistically значительно (P < 0,05).

Сравнение между осевым сжатием (старым макроскопическим методом) и Nano-Вмятием (Новым nanometric методом) совершенно надежно но nanoindentation дает больше результатов на поведении ткани на низком маштабе.

Диаграмма 6. Сравнение между испытанием осевого сжатия и nanoindentation

Заключение

Текущее исследование показало разнородность внутреннеприсущих свойств ткани косточки тела крысы vertebral, которое поменяло по отношению к входу протеина. Низкопротеиновый вход связанный при ovariectomy, спаренный с дополнениями необходимых аминокислот, уменьшил nanomechanical значения. Эти результаты подчеркивают емкость метода nanoindentation обнаружить изменения наведенные питательными и гормональными манипуляциями.

Корреляции между макроскопическими механически результатами как определено осевым сжатием vertebral тела и nanomechanical свойствами ткани предлагают что макроскопическое postelastic поведение поменяло сильно при материальная хрупкость обнаруженная на уровне ткани. Макроскопическая жесткость однако была преобладана изменениями и геометрии косточки изменениями свойств ткани, по мере того как nanoindentation показывает. Другие минерализированные биологические материалы как дентин, эмаль и обызвествлянная хрящевина смогли быть изучены методом nanoindentation.

Подтверждения

Авторы благодарят Др. Патрик Ammann от Обслуживания Заболеваний Косточки [Центра ВОЗ Сотрудничая для Предохранения Остеопороза], Отдела Реабилитации и Гериатрии, Больницы 7 Университетов, Женевы, Швейцарии для пользы его полной Бумаги изучений: Bone ISSN 8756-3282 2005, VOL. 36, no1, pp. 134-141 [8 страниц (статья)] (28 REF.)

Источник: Аппаратуры CSM

Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Аппаратуры CSM

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

Last Update: 9. December 2014 19:58

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit