Long Bone Properties Variation as a function of age: mechanical and compositional characterization

Abstract

La finalidad de este proyecto es profundizar en el comportamiento mecánico y en las propiedades químicas de tejido óseo cortical de distinas especies animales en etapas tempranas de desarrollo, para tratar de ampliar el conocimiento actual en materia de dicho tejido y poder proponer así, soluciones a las dificultades existentes hoy en día a la hora de trabajar con dichos tejidos en sujetos pediátricos.

Para ello, se fabricaron probetas de hueso cortical procedentes huesos largos de especies bovinas y ovinas que se encontraban en diferentes etapas de desarrollo: animales que estaban en la etapa de amamantar, aquéllos que se encontraban en el período de transición de amamantar a pienso o pasto y animales cuya dieta se basaba ya en alimentos sólidos. Una vez fabricadas, éstas fueron sometidas a ensayos de tracción y de nanoindentación para determinar propiedades mecánicas tales como fuerza y tensión máxima, o el módulo elástico, respectivamente. Los ensayos de tracción fueron grabados con una cámara de alta resolución para posteriormente realizar un estudio de correlación digital de imágenes y obtener así los mapas de deformación y los valores de dicho parámetro que experimentaron las muestras ensayadas.

Adicionalmente, se llevó a cabo un estudio fractográfico con el Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) para analizar la superficie de fractura de las muestras. Dicho estudio reveló que la mayoría de las muestras experimentaron un comportamiento a rotura frágil, exceptuando la única muestra de origen ovino ensayada, que mostró indicios de deformación plástica. La anterior afirmación fue además corroborada con las curvas de tensión-deformación de los ensayos. Por otro lado, también se realizó un análisis composicional de las muestras mediante Espectroscopía de Dispersión de Rayos-X (EDX) para determinar su composición química y cómo ésta varía con la edad.

Tras la realización de los ensayos, se ha demostrado que el tejido óseo joven tiende a hacerse más resistente y rigidizarse con la edad. Además, se ha comprobado que el contenido en calcio aumenta con la edad, estando directamente relacionado con el incremento de módulo elástico y de resistencia mecánica del hueso. Observando todos los resultados, ha sido posible establecer la existencia de una tendencia común entre ambas especies analizadas, pues los tejidos de iguales etapas de desarrollo se comportaron de manera muy similar.

This project aims to gain insight into the mechanical and compositional properties of growing cortical bone tissue to improve the knowledge of juvenile bone to cope with the existing practical difficulties of testing human pediatric tissue.

Coupons from two different animal species (bovine and ovine) were made out of cortical areas of long bones to understand how mechanical and chemical properties vary within specimens of three different developmental stages: breastfed, solid-food-transitioning and mature. Once the bone samples were fabricated, they were subjected to tensile tests and nanoindentation analysis in order to determine mechanical properties such as maximum strength, maximum stress and elastic modulus, respectively. Tensile tests were recorded with a high-resolution camera to perform digital imaging correlation analysis and obtain the strain maps and strain values to which the bone coupons were subjected to.

Moreover, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray analyses were performed to observe the surface fracture of the specimens, as well as to determine the chemical composition of the samples and how it varied with age, respectively. Bone coupon surface exploration revealed that most of them experienced brittle fracture behaviour, besides an ovine sample which showed small plastic deformation signs. These statements were confirmed by analyzing the stress-strain curves.

From the experimental campaign, it has been concluded that juvenile bone tissue becomes stiffer and more resistant to fracture with age. In addition, it has been addressed that the calcium mass percentage, and therefore the tissue’s mineralization grade, grew with increasing age, positively correlating with elastic modulus and bone strength. Furthermore, it has been possible to establish a common trend across species, since both bovine and ovine bone tissues behaved practically in an identical way.