CSM 仪器和 Nanoindentation 用于的学习骨质疏松症和其处理的作用对骨头组织质量 Nanoscale 分析

包括的事宜

背景

Nanoscale 分析

Nanoindentation 分析

骨头力量定列式

结果

Nanomechanical 特性的差异在椎骨机体外皮的

蛋白质入口的作用对 Nanomechanical 特性

宏观机械结果与 Nanomechanical 组织属性和骨头矿物质量

结论

鸣谢

背景

骨头重新生成存在一个主要挑战对矫形医学。 大量骨头损失的处理的当前方法根本依靠人为假肢。 假肢不可能每次是使用由于移动和 biocompatibility 问题的限制。 同样,假肢可以从长远来看失效和结果功能和可能病态损失。

Nanoscale 分析

在骨头运用的新的 nanoscale 分析和其他矿化的生物材料启用一个新建窗口到机械工作情况细致的详细资料在非常小规模。 微和宏观分析,产生在更大的长度等级的平均为的数量,可能不是足够敏感的识别二个相似的范例之间的基础区别。 因此, nanoscale 研究为这些复杂材料的解决的描述特性是理想的。 另外,当可用材料的数量为大规模分析是太小的,例如与组织在重要尺寸缺陷和汇率设计时的设计的骨头形成 nanoscale 方法是有用的。 使用传统工程射线原理减少的生物力学的属性的准确性被运用于全部的对鼠标骨头的骨头弯曲试验也对表示了怀疑。

Nanoindentation 分析

Nanoindentation 分析集中表皮和有横隔片的骨头之间的区别,各向异性现象,非定常可塑性,作为距离功能的差异从 osteonal 通过大腿骨外皮、黏弹性和差异集中由于矿物含量。

为了评估内在骨头组织质量的作用在骨头力量, nanoindentation 测试执行在成人汇率的椎骨外皮的级别在已知的多种饮食和荷尔蒙处理以后明显影响一个完整骨骼部分的骨头力量。

nanoindentation 技术估计干燥和湿骨头组织坚硬和弹性与一个高空间分辨率的。 Nanoindentation 也被证明是估计唯一骨头结构上的部件内在机械性能的一个可靠方法 (BSU)。 发现骨头结构上的部件局部有弹性属性在单个、解剖地点、骨头 (间隙植物, osteonal 和有横隔片) 的种类和有横隔片的取向中极大变化。

本研究的结果表明除几何和 microarchitecture 以外,内在骨头组织属性是汇率椎骨机械能力的一个重要定列式在饮食 OVX 处理和低蛋白含量的入口以后。

图 1。

Nanoindentation 表示骨头组织内在机械性能的测试。 此技术获取被按到材料金字塔形金刚石受托代购商的强制位移数据。 图 1 显示包括三部分的发生的曲线。 在第 1 部分,受托代购商技巧被装载 在弹性和过帐产量变形的一个复杂组合的结果的范例上。

最大值强制,负荷是保持的恒定领先材料的蠕动在这个技巧下。 当发行时在这个技巧的强制,检测材料的有弹性回应 (第3)部分。 在最初转存的倾斜考虑派生这个范例的有弹性属性。 这个转存的倾斜有与:

(equ 1)

与联系范围 Ac (h 的一个直接关系max

(equ.2)

第一个分数被定义作为凹进模数并且从受托代购商技巧和减少的模数的已知的属性派生。 凹进模数联合收获机与

(equ 3)

这个标本的局部弹性模数和泊松比例和在本文上表示兴趣的第一个参数。 最大强制和联系范围比例供应第二个机械参数,坚硬:

(equ 4)

坚硬可以解释作为材料可能抵抗的平均压。

凹进实验的第三输出被考虑了到,即,迟滞现象的范围 (参见图 1)。 此参数有维数机械功并且表示在凹进测试期间被消散的这个能源。

图 2。

nanoindentation 测试, L5

机械测试包括了在每个椎骨机体表皮壳的 9 凹进, 3 凹进在后部,三在这个侧面和三进一步在这个先前站点。 在每个站点,三凹进在骨膜,这台中央执行,并且骨头矩阵 (图 3a) 的 endosteal 地点凹进运行了到适用ε的一个近似变形率 900 毫微米最大深度 = 装载和转存的 0.066 1/s。 最大值请装载 5-s 保存期间使用了。 这个最大容许的热量偏差的限额定对 0.1 nm/s。 凹进执行在鳞片的中心; 在二个鳞片边缘的凹进被排除了。 在本研究中,因为这个有横隔片的结构的专业恶化和破坏在 OVX 汇率被观察了提供了低蛋白含量的饮食,仅表皮骨头被测试了。

图 3a。

图 3b。

骨头力量定列式

·         3D 分配

·         几何

·         Microarchitecture

·         相当数量材料

·         物质质量

·         成矿

·         矩阵

·         组织

结果

Nanomechanical 特性的差异在椎骨机体外皮的

用椎骨机体外皮的不同的站点评定的 nanomechanical 特性非均匀性, (即先前,后部和侧面) 在对照动物首先被评估了。 对于所有三个机械参数 (凹进模数、坚硬和被驱散的能源) 更加低值的在这个先前站点被检测了。

双向 ANOVA 执行与地点和站点作为固定的作用,向显示站点为所有这三个机械参数是高度重大的 (P < 0.0001)。 地点 (骨膜, endosteal 或者中央),另一方面,不是重大的 (P > 0.6)。

蛋白质入口的作用对 Nanomechanical 特性

然后估计了等热量的蛋白质营养不良的影响和基本氨基酸补充条款。

考虑完全数据集的凹进模数的三通的 ANOVA 再显示了这个站点的 (先前高全球意义,侧向,后部) (P <0.001)。 系数地点 (骨膜, endosteal,中央) 是适度地重大 (P = 0.029) 和处理不是全球性地重大的 (P = 0.65)。 然而,处理和站点之间的交往是接近显著性水平 (P = 0.06)。 这导致我们适用三个站点中的每一个的一个单个统计计算。

双向 ANOVAs 执行与处理和地点作为固定的作用。 这种处理的影响不是重大的 (P > 0.1)。 相反,系数地点是重大的为这个先前站点 (P = 0.013) 和为这个后部站点 (P = 0.0002),但是不重大为这个侧向站点 (P = 0.2)。 分别地存在不同的地点的纳诺机械属性 (图 4)。 在处理组之间的比较为所有地点完成。 因此分析显示纳诺机械属性重大的减少 (P < 0.05) 与假货比较,在这个 endosteal 地点在 OVX 汇率提供了低蛋白含量的饮食。 此区别为所有三个 nanomechanical 参数是可发现的。

在这个后部端点的中央部分,坚硬和被驱散的能源显著减少了 (P = 0.02 和 P = 0.03,分别) 以回应卵巢切除术和低蛋白含量的饮食。 在骨膜的地点,在假货和 OVX 汇率之间与低蛋白含量的饮食也检测了有弹性属性和消能的重大的改变 (P = 0.01 和 P = 0.02,分别)。

基本氨基酸补充条款正趋势在凹进模数和被驱散的能源的不是重大的 (P < 0.1) 在这个 endosteal 地点。 也有基本氨基酸补充条款的作用的一个趋势对坚硬在这个中央位置 (铅 < 0.1)。 对于在这个骨膜的地点的凹进模数,基本氨基酸补充条款的作用是几乎重大的 (P = 0.06)。

宏观机械结果与 Nanomechanical 组织属性和骨头矿物质量

对于 nanomechanical 数据和宏观测试之间的相关性,由这个椎骨机体得到 [2 的] 轴向压缩,和每个汇率被消散的能源使用了坚硬和凹进模数的平均值 (图 5)。 对故障的宏观能源显示了相关性 (R = 0.6) 与凹进测试的被驱散的能源。 宏观强度极限适度地关联与坚硬 (R = 0.27) 和僵硬没有显示与内在有弹性属性的相关性。

图 5。

在轴向压缩 (老宏观方法) 和纳诺凹进 (新的 nanometric 方法) 之间的比较是完全可靠,但是 nanoindentation 产生在组织工作情况的更多结果在低缩放比例。

图 6。

结论

本研究显示了汇率椎骨机体的内在骨头组织属性非均匀性,关于蛋白质入口变化。 低蛋白含量的入口与卵巢切除术相关,配对与基本氨基酸补充条款,减少了 nanomechanical 值。 这些结果加下划线 nanoindentation 技术的能力检测营养和荷尔蒙处理导致的更改。

宏观机械结果如估计由这个椎骨机体的轴向压缩和 nanomechanical 组织属性之间的相关性建议宏观 postelastic 工作情况随在组织级别上检测的物质脆弱严格变化。 然而宏观僵硬由骨头几何更改和较少控制由组织属性的差异, nanoindentation 显示。 其他矿化的生物材料例如牙质、搪瓷和钙化的软骨能由 nanoindentation 技术学习。

鸣谢

作者感谢帕特里克 Ammann 博士从骨头疾病 [世界卫生组织合作的中心修复的服务骨质疏松症预防],部门和医学, 7 所大学医院,日内瓦,瑞士的为对他的完全研究文件的使用: 去骨 ISSN 8756-3282 2005年,第36卷, no1,页。 134-141 [8 页 (条款)] (28 参考)

来源: CSM 仪器

关于此来源的更多信息请参观 CSM 仪器

Date Added: Jun 25, 2007 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 14:39

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