CSM 儀器和 Nanoindentation 用於的學習骨質疏鬆症和其處理的作用對骨頭組織質量 Nanoscale 分析

包括的事宜

背景

Nanoscale 分析

Nanoindentation 分析

骨頭力量定列式

結果

Nanomechanical 特性的差異在椎骨機體外皮的

蛋白質入口的作用對 Nanomechanical 特性

宏觀機械結果與 Nanomechanical 組織屬性和骨頭礦物質量

結論

鳴謝

背景

骨頭重新生成存在一個主要挑戰對矯形醫學。 大量骨頭損失的處理的當前方法根本依靠人為假肢。 假肢不可能每次是使用由於移動和 biocompatibility 問題的限制。 同樣,假肢可以從長遠來看失效和結果功能和可能病態損失。

Nanoscale 分析

在骨頭運用的新的 nanoscale 分析和其他礦化的生物材料啟用一個新建窗口到機械工作情況細致的詳細資料在非常小規模。 微和宏觀分析,產生在更大的長度等級的平均為的數量,可能不是足够敏感的識別二個相似的範例之間的基礎區別。 因此, nanoscale 研究為這些複雜材料的解決的描述特性是理想的。 另外,當可用材料的數量為大規模分析是太小的,例如與組織在重要尺寸缺陷和匯率設計時的設計的骨頭形成 nanoscale 方法是有用的。 使用傳統工程射線原理減少的生物力學的屬性的準確性被運用於全部的對鼠標骨頭的骨頭彎曲試驗也對表示了懷疑。

Nanoindentation 分析

Nanoindentation 分析集中表皮和有橫隔片的骨頭之間的區別,各向異性現象,非定常可塑性,作為距離功能的差異從 osteonal 通過大腿骨外皮、黏彈性和差異集中由於礦物含量。

為了評估內在骨頭組織質量的作用在骨頭力量, nanoindentation 測試執行在成人匯率的椎骨外皮的級別在已知的多種飲食和荷爾蒙處理以後明顯影響一個完整骨骼部分的骨頭力量。

nanoindentation 技術估計乾燥和濕骨頭組織堅硬和彈性與一個高空間分辨率的。 Nanoindentation 也被證明是估計唯一骨頭結構上的部件內在機械性能的一個可靠方法 (BSU)。 發現骨頭結構上的部件局部有彈性屬性在單個、解剖地點、骨頭 (間隙植物, osteonal 和有橫隔片) 的種類和有橫隔片的取向中極大變化。

本研究的結果表明除幾何和 microarchitecture 以外,內在骨頭組織屬性是匯率椎骨機械能力的一個重要定列式在飲食 OVX 處理和低蛋白含量的入口以後。

圖 1. nanoindentation 測試的強制位移曲線: 裝載 (1),藏品 (2),轉存 (3) 受託代購商技巧。 第三個部分導致材料的有彈性恢復,并且其最初的傾斜用於派生有彈性凹進模數。 遲滯現象表示這個被驅散的能源。

Nanoindentation 表示骨頭組織內在機械性能的測試。 此技術獲取被按到材料金字塔形金剛石受託代購商的強制位移數據。 圖 1 顯示包括三部分的發生的曲線。 在第 1 部分,受託代購商技巧被裝載 在彈性和過帳產量變形的一個複雜組合的結果的範例上。

最大值強制,負荷是保持的恆定領先材料的蠕動在這個技巧下。 當發行時在這個技巧的強制,檢測材料的有彈性回應 (第3)部分。 在最初轉存的傾斜考慮派生這個範例的有彈性屬性。 這個轉存的傾斜有與:

(equ 1)

與聯繫範圍 Ac (h) 和減少的max模數的一個直接關係唔。 聯繫範圍是設想的接觸範圍在金字塔形受託代購商和這個範例之間的并且表示校準參數。 這個減少的模數表示材料和金剛石受託代購商的標準的一個總和。

(equ.2)

第一個分數被定義作為凹進模數并且從受託代購商技巧和減少的模數的已知的屬性派生。 凹進模數聯合收穫機與

(equ 3)

這個標本的局部彈性模數和泊松比例和在本文上表示興趣的第一個參數。 最大強制和聯繫範圍比例供應第二個機械參數,堅硬:

(equ 4)

堅硬可以解釋作為材料可能抵抗的平均壓。

凹進實驗的第三輸出被考慮了到,即,遲滯現象的範圍 (參見圖 1)。 此參數有維數機械功并且表示在凹進測試期間被消散的這個能源。

在骨頭的圖 2. 圖示彈塑性的工作情況在 nanoindentation 時

對於 nanoindentation 測試, L5 椎骨機體每個匯率被解剖了在椎間的盤的級別。 骨頭標本被保持凍結直到機械測試的準備。 椎骨在這個大約 8 mm 高機體中間被剪切了橫截地。 範例在 PMMA 被埋置了,并且橫向剪切的表面是優美的完成用 0.25-μm 金剛石解決方法。 在這些準備步驟以後,這個標本為在 50°C. 的 24 个 h 被烘乾了。

機械測試包括了在每個椎骨機體表皮殼的 9 凹進, 3 凹進在後部,三在這個側面和三進一步在這個先前站點。 在每個站點,三凹進在骨膜,這臺中央執行,并且骨頭矩陣 (圖 3a) 的 endosteal 地點凹進運行了到適用ε的一個近似變形率 900 毫微米最大深度 = 裝載和轉存的 0.066 1/s。 最大值请裝載 5-s 保存期間使用了。 這個最大容許的熱量偏差的限額定對 0.1 nm/s。 凹進執行在鱗片的中心; 在二個鱗片邊緣的凹進被排除了。 在本研究中,因為這個有橫隔片的結構的專業惡化和破壞在 OVX 匯率被觀察了提供了低蛋白含量的飲食,仅表皮骨頭被測試了。

圖 3a。 凹進區的圖示。 在橫截片式腰部椎骨機體,三個站點被選擇了: 先前,後部和側向站點 (參見左圖)。 在每個站點,三個地點被定義了成結構利益: 骨膜,中央和 endosteal 地點 (參見這個圖的正確的部分)。

圖 3b。 Berkovich 凹進光學顯微照相在有橫隔片/表皮 Nanoindentation 和 AFM 高分辨率圖像的。 (12 x12 x 1.5 μm)

骨頭力量定列式

•        3D 分配

•        幾何

•        Microarchitecture

•        相當數量材料

•        物質質量

•        成礦

•        矩陣

•        組織

結果

Nanomechanical 特性的差異在椎骨機體外皮的

用椎骨機體外皮的不同的站點評定的 nanomechanical 特性非均勻性, (即先前,後部和側面) 在對照動物首先被評估了。 對於所有三個機械參數 (凹進模數、堅硬和被驅散的能源) 更加低值的在這個先前站點被檢測了。

雙向 ANOVA 執行與地點和站點作為固定的作用,向顯示站點為所有這三個機械參數是高度重大的 (P < 0.0001)。 地點 (骨膜, endosteal 或者中央),另一方面,不是重大的 (P > 0.6)。

蛋白質入口的作用對 Nanomechanical 特性

然後估計了等熱量的蛋白質營養不良的影響和基本氨基酸補充條款。

考慮完全數據集的凹進模數的三通的 ANOVA 再顯示了這個站點的 (先前高全球意義,側向,後部) (P <0.001)。 系數地點 (骨膜, endosteal,中央) 是適度地重大 (P = 0.029) 和處理不是全球性地重大的 (P = 0.65)。 然而,處理和站點之間的交往是接近顯著性水平 (P = 0.06)。 這導致我們適用三個站點中的每一個的一個單個統計計算。

雙向 ANOVAs 執行與處理和地點作為固定的作用。 這種處理的影響不是重大的 (P > 0.1)。 相反,系數地點是重大的為這個先前站點 (P = 0.013) 和為這個後部站點 (P = 0.0002),但是不重大為這個側向站點 (P = 0.2)。 分別地存在不同的地點的納諾機械屬性 (圖 4)。 在處理組之間的比較為所有地點完成。 因此分析顯示納諾機械屬性重大的減少 (P < 0.05) 與假貨比較,在這個 endosteal 地點在 OVX 匯率提供了低蛋白含量的飲食。 此區別為所有三個 nanomechanical 參數是可發現的。

在這個後部端點的中央部分,堅硬和被驅散的能源顯著減少了 (P = 0.02 和 P = 0.03,分別) 以回應卵巢切除術和低蛋白含量的飲食。 在骨膜的地點,在假貨和 OVX 匯率之間與低蛋白含量的飲食也檢測了有彈性屬性和消能的重大的改變 (P = 0.01 和 P = 0.02,分別)。

基本氨基酸補充條款正趨勢在凹進模數和被驅散的能源的不是重大的 (P < 0.1) 在這個 endosteal 地點。 也有基本氨基酸補充條款的作用的一個趨勢對堅硬在這個中央位置 (鉛 < 0.1)。 對於在這個骨膜的地點的凹進模數,基本氨基酸補充條款的作用是幾乎重大的 (P = 0.06)。

宏觀機械結果與 Nanomechanical 組織屬性和骨頭礦物質量

對於 nanomechanical 數據和宏觀測試之間的相關性,由這個椎骨機體得到 [2 的] 軸向壓縮,和每個匯率被消散的能源使用了堅硬和凹進模數的平均值 (圖 5)。 對故障的宏觀能源顯示了相關性 (R2 = 0.6) 與凹進測試的被驅散的能源。 宏觀強度極限適度地關聯與堅硬 (R2 = 0.27) 和僵硬沒有顯示與內在有彈性屬性的相關性。

nanoindentation 的圖 5. 結果測試在這個椎骨機體的後部部分的級別對於所有三個處理組 (參見文本)。 *Statistically 重大 (P < 0.05)。

在軸向壓縮 (老宏觀方法) 和納諾凹進 (新的 nanometric 方法) 之間的比較是完全可靠,但是 nanoindentation 產生在組織工作情況的更多結果在低縮放比例。

圖 6. 在軸向壓縮測試和 nanoindentation 之間的比較

結論

本研究顯示了匯率椎骨機體的內在骨頭組織屬性非均勻性,關於蛋白質入口變化。 低蛋白含量的入口與卵巢切除術相關,配對與基本氨基酸補充條款,減少了 nanomechanical 值。 這些結果加下劃線 nanoindentation 技術的能力檢測營養和荷爾蒙處理導致的更改。

宏觀機械結果如估計由這個椎骨機體的軸向壓縮和 nanomechanical 組織屬性之間的相關性建議宏觀 postelastic 工作情況隨在組織級別上檢測的物質脆弱嚴格變化。 然而宏觀僵硬由骨頭幾何更改和較少控制由組織屬性的差異, nanoindentation 顯示。 其他礦化的生物材料例如牙質、搪瓷和鈣化的軟骨能由 nanoindentation 技術學習。

鳴謝

作者感謝帕特里克 Ammann 博士從骨頭疾病 [世界衛生組織合作的中心修復的服務骨質疏鬆症預防],部門和醫學, 7 所大學醫院,日內瓦,瑞士的為對他的完全研究文件的使用: 去骨 ISSN 8756-3282 2005年,第36捲, no1,頁。 134-141 [8 頁 (條款)] (28 參考)

來源: CSM 儀器

關於此來源的更多信息请請參觀 CSM 儀器

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

Last Update: 9. December 2014 19:36

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