- Tytuł:
-
Wstępna ocena właściwości strukturalno-elektrycznych w zakresie niskich częstotliwości biomateriałowego modelu doświadczalnego kości długich w stanie patologicznym
Preliminary study of structural-electrical properties in the low frequency range of experimental biomaterial models of long bones in a pathological state - Autorzy:
-
Uklejewski, R.
Czapski, T.
Winiecki, M. - Powiązania:
- https://bibliotekanauki.pl/articles/285310.pdf
- Data publikacji:
- 2014
- Wydawca:
- Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Polskie Towarzystwo Biominerałów
- Tematy:
-
właściwości elektryczne kości długich
osteoporoza
osteomalacja
biomateriałowy model doświadczalny kości
odbiałczanie kości
odwapnianie kości
electrical properties of long bones
osteoporosis
osteomalacia
experimental biomaterial model of long bones
deproteinization
decalcification - Opis:
-
Przedstawiono wyniki doświadczalnych badań porównawczych dotyczących metod wytworzenia biomateriałowego modelu kości długich w stanie patologicznym, tj. nie w pełni zmineralizowanych (stan osteomalacji) oraz o obniżonym kościotworzeniu (stan osteoporotyczny), otrzymanego na bazie wołowych kości udowych, z wykorzystaniem stosowanych w inżynierii biomateriałów metod częściowego odbiałczania i częściowego odwapniania. Ten biomateriałowi model kości długich jest niezbędny do prowadzenia doświadczalnych badań właściwości strukturalno--elektrycznych kości długich w celu zbudowania prototypowego systemu pomiarowo-obliczeniowego do wyznaczania gęstości i parametrów porosprężystych kości długich prawidłowych i osteoporotycznych oryginalną nieinwazyjną metodą elektroosteodensytometrii (zgłoszenie patentowe krajowe i międzynarodowe). Proces odbiałczania prowadzono porównawczo z użyciem roztworów NaOCl, H2O2, KOH i NaOH, natomiast proces odwapniania próbek kości wołowych prowadzono porównawczo z użyciem roztworów HNO3, HCl i EDTA oraz w mieszaninie roztworów HNO3 i HCHO. Zbadano kinetykę przeprowadzonych procesów, monitorując stężenia białka oraz wapnia w zastosowanych roztworach w funkcji czasu. Na podstawie zbadanych przebiegów procesów możemy obecnie zarekomendować do wytworzenia biomateriałowych modeli doświadczalnych kości długich w stanie patologicznym: o obniżonym kościotworzeniu – odbiałczanie z użyciem 7% roztworu nadtlenku wodoru (H2O2), a dla nie w pełni zmineralizowanych – odwapnianie z użyciem 0,5 M roztworu kwasu solnego (HCl). Przedstawiono pilotażowe wyniki doświadczalnej analizy właściwości strukturalno-elektrycznych biomateriałowego modelu kości długiej w stanie obniżonego kościotworzenia (badano trzy częściowo odbiałczone kości udowe wołowe) z wypełnieniem porów modelu wieloelektrolitowym płynem fizjologicznym Ringera, w zakresie niskich częstotliwości (od 20 Hz do 10 kHz) i w zależności od lokalizacji badanej próbki wzdłuż trzonu kości długiej. Stwierdzono, że: 1) wartości modułu impedancji elektrycznej jednostkowej |Z1| [Ω/cm] trzonu modelowej kości długiej osteoporotycznej maleją bardzo wyraźnie w funkcji częstotliwości w zakresie od 20 Hz do 500 Hz; od częstotliwości 500 Hz do 2 kHz zmiany wartości |Z1| są niewielkie, a powyżej częstotliwości 2 kHz wartość modułu impedancji jednostkowej |Z1| praktycznie nie zależy od zmian częstotliwości; 2) średnia wartość modułu impedancji elektrycznej jednostkowej |Z1| trzonu modelowej kości długiej osteoporotycznej okazała się względnie stała wzdłuż długości trzonu kości i wynosiła ok. 670 Ω/cm dla częstotliwości 100 Hz oraz ok. 630 Ω/cm dla częstotliwości 10 kHz. Otrzymane pilotażowe wyniki pomiarów parametrów elektrycznych określających właściwości strukturalno-elektryczne kości długich osteoporotycznych wymagają potwierdzenia na większej liczbie próbek trzonowo-kostnych częściowo odbiałczanych; planujemy też poszerzenie analizy doświadczalnej właściwości strukturalno--elektrycznych kości długich o obniżonej mineralizacji (częściowo odwapnionych).
We present the results of a comparative experimental study on methods considered for the manufacture of a biomaterial model of long bones in a pathological state, i.e. insufficiently mineralized bone (osteomalacia) and reduced osteogenesis (osteoporosis), obtained from bovine femoral bone, using methods applied in the engineering of biomaterials such as partial deproteinization and partial demineralization. The biomaterial model is required for experimental research into the structural-electrical properties of long bones, which will be carried out to build a prototype for a measurement system for the evaluation of bone densitometry and poroelastic properties with the use of an original and non-invasive method of electroosseodensitometry (Polish and international patent applications). The kinetics of chemical bone deproteinization processes in NaOCl, H2O2, KOH and NaOH solutions and chemical bone demineralization processes in HNO3, HCl, EDTA solutions and in a mixture of HNO3 and HCHO were comparatively studied and the protein and calcium contents were monitored as a function of time. On the basis of the functional graphs obtained from the observed processes, we can currently recommend the following conditions for manufacturing a biomaterial model of long bones in a pathological state: deproteinization using a 7% solution of hydrogen peroxide (H2O2) to produce a model of bone in a state of reduced osteogenesis and decalcification with 0.5 M hydrochloric acid (HCl) to produce a model of insufficiently mineralized bone. The results of a pilot experimental analysis of the structural-electrical properties of the biomaterial model of long bones are presented for a state of reduced bone formation (osteoporotic; three partially deproteinized bovine femurs were examined). The bone pores of the model were filled with physiological multielectrolyte Ringer’s saline and assessed in a low frequency range (20 Hz to 10 kHz) as a function of the location of bone shaft samples along the diaphysis. It was found that: 1) values of the modulus of the unit electrical impedance |Z1| [Ω/cm] of the bone shaft of the model osteoporotic long bone decreased very clearly as a function of frequency in the range from 20 Hz to ca. 500 kHz; from a frequency of 500 Hz to 2 kHz, the changes in the |Z1| value were small, and above 2 kHz, the |Z1| value practically did not depend on frequency changes. 2) The mean value of the modulus of the unit electrical impedance |Z1| of the bone shaft of the model osteoporotic long bone was found to be relatively constant along the length of the bone shaft and was about 670 Ω/cm for a frequency of 100 Hz and about 630 Ω/cm for a frequency of 10 kHz. The results of the preliminary study on the structural-electrical properties of long bone shafts in a pathological (osteoporotic) state require confirmation in a full experimental study on a larger number of model osteoporotic long bones; we are also planning to extend the experimental analysis to the structural-electrical properties of long bones with impaired mineralization (partially decalcified). - Źródło:
-
Engineering of Biomaterials; 2014, 17, 126; 12-22
1429-7248 - Pojawia się w:
- Engineering of Biomaterials
- Dostawca treści:
- Biblioteka Nauki
Artykuł