Giriş: Kemik Güçlerinin Mikro ölçekli Vakıfları

İnsan kemik kemiği, sertliği dengelemek için dinamik bir kompozit malzemedir, ışıkla güç.Bu boşluk, mikro ölçekli ve nano ölçekli kemik dokusunun intrinsic mekanik özelliklerini araştırmak için araştırmacılara yol açtı. Nanoindentation, bu özellikleri doğrudan kemikten gelen biyopsi örnekleriyle ilgili olarak ortaya çıktı.

Kemik biyopsi örneklerinin biyolojik değerlendirmeleri, nanotentasyon köprüleri ile malzeme bilimi ve klinik veyatopedikler arasındaki boşlukları ölçerek, yerelleştirilmiş yükler, klinikler ve bilim adamları, kemik biyomekanik araştırmalarında hastalık gibi hastalıkları daha iyi anlayabilirler.

Nanoindentasyon Prensleri

Nanoindentasyon, derinlikten inen bir inzasyon olarak da bilinir, elastik olmayan segmentin mekanik özelliklerini, bilinen geometrinin sert bir indenterine (tipik olarak bir Berkovich ipucu) sürekli kayıt yük ve yer değiştirme gibi örneklemler içerir.

Tarihsel Context ve Instrumentation

1990'larda sürekli sertlik ölçümünün (CSM) geliştirilmesi ve gelişmiş kuvvet/displacement kararı ile olgunlaşan teknik, mikronewtonlardan yüzlerce yeni militona kadar, 0.2 nm siparişinde yer alan değişken kararlarla güçlenebilir:

  • [FONT:0]Indenter ipucu[[[Döntgen: 1) genellikle üç taraflı elmas piramit (Berkovich) veya yumuşak dokular için küresel bir ipucu.
  • [FONT:0)Column ve hareketleyici[Dönder: Elektrostatik veya elektromanyetik kesin güç kontrolü için değerleme.
  • [FONT=0)Displacement sensörü[[Dönetici: kapasiteli sensör veya optik encoder for real-time derinlik ölçümü için.
  • [FONTcal mikroskop[[Dönetici:0): Indent yerlerinin kesin konumu histolojik özellikleri ile ilgili.

Daha ayrıntılı bir yaklaşım ve kalibrasyona genel bakış için, okuyucular en çok kemik çalışmalarında kullanılan standart Oliver-Pharr yöntemine atıfta bulunurlar.

Bone Biopsy Acquisition ve Use

Nanotentasyon için kemik örnekleri insan hastalardan elde edilir (genellikle kalça yedek veya omurga cerrahisi gibi ortopedi işlemleri sırasında) veya hayvan modellerinden elde edilir.En yaygın insan biyopsi siteleri, ilçe crest ve Femmoral başıdır.Kaynak ne olursa olsun, dikkatli bir işlem, dokunın ana mekanik durumunu korumak için önemlidir.

Örnek Hazırlık: Gömülü ve Bölümleme

Taze kemik örnekleri genellikle bozulmayı önlemek için resmi olarak veya etanolda sabitlenir, sonra da nanotentasyon için, örnek birkaç yüz nanotoksi veya akrilik reçinede bulunabilir.

İçeriden sonra, blok düşük hızlı bir elmas kullanarak düz bir yüzey ortaya çıkar.Son parlamental olarak inceleyiciler ile yapılır (p>0.05 μm alumina süspansiyonu)% 30'dan daha az bir yüzey kabalığı elde etmek için kullanılır).

Hydration and Storage

Kemik mekanik özellikleri hidrasyona karşı oldukça hassastır.Dehidratlanmış kemik sert görünebilir ve hidratlanmış dokudan daha zor görünebilir. fizyolojik koşulları simüle etmek için, çoğu protokol, örneklerin fosfata maruz kalmamış bir salin (PBS) test ve moist sırasında en az 24 saat boyunca tekrar hidratasyonda yeniden susayabilir. Bazı araştırma grupları deneyi boyunca ince bir sıvı tabakasını koruyan bir sıvı hücresi kullanır.

Nanoindentation Test Yöntemiology

Test, kortical kemik, trabecular kemik veya bireysel osteonler gibi ilgi alanlarına yerleştirilen kemik biyopsisinin bir kesitinde yapılır. Tipik test serisi içerir:

  1. [FONT=0)Calibration[Dönetici: Cihazın bir füzyon silik referans standardı kullanılarak kısaltılır (biyönlenen modulus ~72 GPa).
  2. [FONT:0]Site seçimi[[Dönetici: Optik mikroskop kullanarak, operatör kan gemilerinden uzak yerleri seçer, lacunae veya açık çatlaklar.
  3. [FONT=0)Indentation[[[Dönetici: The indenter is baskı hızı (e.g., 0.05 s -1) to maximum derinlik of 500-1000 nm, değerlendirmek için 10-30 saniye boyunca yapılan, o zaman yüklenmez.
  4. [FONT:0)Data analysis[DÜT:1): Boş olmayan sertlik, moderatörlere indirgenmek için Oliver-Pharr modeline bağlıdır (E).

Elastik Modulus ve Hardness

Nanotanıştan bildirilen elastik modulus, indentasyon modulus (E)[D[Dönetici: 1), kemik dokusundaki genç modulus ile ilgili olan, homojen malzemeler için, E).

İnsan kortal kemik için tipik değerler 15-25 GPa'nın inzasyon modulusunu ve 0,5-0.8 GPa'nin sertliğini, ancak bunlar yaş, hastalık ve anatomik konum ile değişir. Trabecular kemik, daha fazla göz ardı edilebilir, daha düşük değerler verir (modulus 5-12 GPa).

Data Quality and Reproducality

Kemik heterojen doğası için hesaba katlanmak, istatistiksel olarak önemli sayıda indent yapmak standarttır (en azından 25 kişi başına) 50 μm ve ± standart sapma anlamına gelir.

Bone Research ve Klinik Uygulama Uygulamaları

Osteoporoz ve Fracture Risk

Osteoporoz kemik kaybı ve mimari bozulmaya yol açıyor, ancak bazı çalışmalar sertliğe düşmeden modülasyona neden oluyor.Bu dissociation osteoporotic kadınlardan daha düşük, değiştirilen mineral büyüklüğüne katkıda bulunuyor. -hardness genellikle UND'nin bağımsız olarak azalmasına yardımcı oluyor, ancak bazı çalışmalar bir insan femografisinde azalmadan dolayı bir azalma gösteriyor.

Son zamanlarda osteoporotik kemik nanotantasyonu üzerine yapılan bir meta-analiz için, bkz.ETHFLT:0) Bu inceleme Bone).

Osteogenesis Imperfecta ve Genetik Kemik Bozuklukları

osteogenez kusurları (OI), kolajen tipte mutasyonlar, kemik biyopsilerinin kemikten çıkarılması nedeniyle OI hastaları, doku seviyesindeki bir sertlikte paradoksal artış ortaya çıkarır, ancak zorlayıcılar ve hatadan önce kesintiye uğrarlar.Bu “brittle” phenotype, zamanla nanomekanik özelliklerde değişikliklerden dolayı değerlidir.

Yaş ve Dejeneratif Değişiklikler

Gelişen yaşla, mekanik özelliklerinde sağlıklı kemik bile değişiklikler alır. Kortical kemik sertleşir, ancak daha fazla brittle, trabecular kemik her iki katın da zayıflığını kaybederken, bu değişiklikleri bireysel trabeculae seviyesinde ölçebilir, bu yaşla ilgili sertliğin kaybı daha da artar.

Uyuşturucu Efficacy ve Biomechanical Watch

Kemik tedavisi - bisphosphonates, denosumab ve parathyroid hormonu analogları - genellikle BMD değişiklikleri ve kırıklıkları tarafından değerlendirildi.Ancak, nanotentasyon, klinik araştırmalarda erken bir doku seviyesindeki cevapları tespit edebilir. Örneğin, tedavi sırasında paratide ile tedavi, üç ay içinde incelal kemik oranını artırmak için gösterilmiştir.

Meydanlar ve Yöntemolojik Pitfalls

Heterojenlik ve Anisotropy

Bone, bir mikroyapısal özelliğin bir sonrakisine önemli bir özellikte olan hiyerarşik materyaldir.Bir osteotominin injeksiyon modulusu, bu indentasyonun, kontraksiyonun ve birden çok komplikelinin yorumlanmasına bağlı olarak, iki ila 30 arasında farklılık gösterebilir.

Yüzey Hazırlık Artifacts

Aşırı polis, sert ve yumuşak fazlar arasında rahatlamaya neden olabilir (mikrokracks, smearing of kolajen fibers) ki, yüksek yüzeylerin nanotanımlarının nanotanışması için en az hasara neden olabilir.

Standartlaştırma ve Inter-Laboratory Variability

Şu anda, Poisson'un oranı için evrensel olarak kabul edilen protokol yoktur. Standartizasyon Örgütü (ISO) enstrümantasyonda (ISO 14577),hidrasyon durumu ve veri analizi yöntemleri (örneğin, Poisson'nun oranı) laboratuarlar arasındaki önemli farklılıklara yol açıyor.

Future rotası ve Gelişen Teknolojiler

In Vivo Nanoindentation

Geleneksel nanotanımlama, biyopsis, uzun süreli çalışmaları ve klinik çevirileri sınırlandırmalıdır. Gelişen mikrosinasyon cihazları (örneğin, OsteoProbe) en az in vivo ölçümleme kullanarak nanosintivitesi (BMSi) cerrahi ayarların gerçekleştirilmesine izin verir.

Multimodal Entegrasyon

Diğer mikroscopy ve spektroskop teknikleri ile nanotanımlaştırmanın kombinasyonu, kemik kalitesinin daha tam bir resmini sunar. Örneğin:

  • [FONT=0)Raman spektroskopi[Dönetici: Cevher mineral-to-matrix oranı ve karbonat altkurululuk modulus ile.
  • [FONT:0)Mikro-CT[[Dönetici: Her bir indent çevresindeki yerel mineral yoğunluğu ve mimarisi.
  • [FONT:0)Scanning elektron mikroscopy (SEM))[Döneticileri indentasyon işaretleri ve kırık desenleri).
  • [Atomik güç mikroscopy (AFM))[tr|köpektif olmayan yüzey kabalığı ve topografik özellikleri.

Bu yöntemleri tek bir enstrüman veya kayıt dışı analiz akışı içinde bütünleştirmek, bölge-özel kemik analizinin mükemmel bir örneği, bir şekilde tarif edilir.Doğa Bilimsel Rapor Çalışması[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD)[Dönetici, nanointasyon, mikro-CT ve Ramantroskopi, bölgeye özgü kemik zayıflaması için aktif bir şekilde kemik zayıflaması.

Data Interpretation için makine Öğrenme

Ağa indentasyondan üretilen büyük veri setleri - binlerce yük-düşüm eğrileri - makine öğrenimi için iyi uygundur. Algoritmalar, kemik dokusunu sağlıklı, hastalıklı veya tedavi edilen ince desenlere dayanan kategorilere göre sınıflandırmak için tedavi edilebilir.Neural ağlar yaş ve hastalık durumunu sadece nanotentasyon verilerinden tahmin etmek için eğitilmiştir, kanıt-konsepücreasyon çalışmalarında% 85'den fazla bilgiye ulaşır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Nanosinasyon, kemik biyopsi örneklerinin biyomekanik değerlendirme için vazgeçilmez bir araç haline geldi, mikro ölçekte doku sertlik, sertlik ve zaman bağımlı davranışları hakkında sayısal veriler sundu.Bir önceki veya ek kemik kaybına eşlik eden değişikliklerle, tamamlayıcı görüntüleme ve spektroskopik tekniklerle derinleşiyoruz.

Alan olgunlaştığı gibi, araştırma laboratuvarından klinike nanotentasyon tercüme vaadi daha da yakınlaştı - kemik gücünün sadece ne kadar kemik olduğu konusunda değerlendirilmediği bir çağda, ancak kemik malzemeninin kalitesi tarafından.