文摘
煮熟的可能出现的结构性变化和nonboiled骨头经常被忽视,尽管他们在defleshing技术的发展具有至关重要的作用在各种科学学科。阐明微观结构特征的骨骼软组织切除后通过传统方法、衰减全反射傅里叶变换红外(ATR-FTIR)和x射线衍射(XRD)谱了。我们的发现表明开水方法导致更高的结晶度,红外光谱的数据证明了这一点,而XRD数据显示相反。这强调了概念之间的直接比较这两种技巧是不可行的,因为他们测量不同结晶度的参数。此外,冷水浸渍方法造成显著减少胶原蛋白交联,就是明证下标。
1。介绍
骨骼的研究使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和x射线衍射(XRD)已成为一个至关重要的和互补的方法在骨的研究中,提供了宝贵的见解骨组成,结构,性质(1- - - - - -3]。这些技术已被广泛用于各种科学领域,包括生物医学研究、古生物学、考古学、和法医科学阐明骨骼健康的重要性,进化,文化遗产,和法医调查(4- - - - - -10]。
红外光谱是一种功能强大的技术,可以使骨骼成分在分子水平上的分析11- - - - - -14]。测量红外辐射的吸收和传输骨样本,提供官能团的信息,有机分子和矿物内容出现在骨头。红外光谱可以识别存在的胶原蛋白,这是主要的骨头的有机组成部分,以及其他生物分子,如脂质、蛋白质和碳水化合物(15,16]。它还可以提供洞察化学键,晶体结构,和骨的矿化过程,成为一个有价值的工具,用于评估骨质量,健康和疾病(17]。
另一方面,x射线衍射技术分析了骨样品的晶体结构。它测量x射线的衍射骨矿物的晶格,如羟磷灰石,骨骼的主要无机成分(18- - - - - -21]。XRD提供晶体取向的信息,尺寸,和安排的矿物晶体的骨头,这是至关重要的在理解他们的机械强度,刚度和成矿模式(22]。XRD对骨矿物质结晶度的变化高度敏感,它可以反映出改变骨骼发育,衰老,和病理学23,24]。
尽管有分歧,红外光谱和x射线衍射在骨骼的研究中互补性强。红外光谱提供了信息的有机和矿物含量的骨头,而XRD关注骨矿物的晶体结构。在一起,他们提供了一个全面了解骨成分和结构,使研究人员能够获得骨属性的整体视图。例如,红外光谱可以揭示胶原内容和结构的变化,而XRD可以提供洞察改变矿物结晶度。这种结合方法允许更全面分析骨骼健康,疾病,和演化。
然而,重要的是要注意,红外光谱和x射线衍射的骨头结晶度有时会产生相反的结果。红外光谱测量红外辐射的吸收和传输,可受到各种因素的影响,包括骨的有机成分,水分含量,样品制备(25,26]。因此,红外光谱可以提供骨结晶度的高估或低估,这取决于具体情况的分析。另一方面,XRD直接测量x射线的衍射骨矿物的晶格,不影响骨的有机成分或含水量18]。因此,XRD被认为是一个更精确的技术评估骨结晶度。
调和骨结晶度的差异从红外光谱和x射线衍射结果,研究人员经常使用校准技术,如红外光谱转换光谱定量结晶度指数(CI)根据XRD数据(27]。这允许更精确的比较和解释这两种技术的结果。此外,其他技术,如拉曼光谱和固态核磁共振(NMR),也可以使用与红外光谱和x射线衍射进一步验证和证实发现骨相关研究(27,28]。
因此,本研究的主要目的是为了全面探索红外光谱XRD的至关重要的作用在促进骨的互补性研究和阐明这些技术的研究。此外,本研究还将探讨骨结晶度的潜在差异时可能出现的结果利用红外光谱和x射线衍射方法提供一个更全面的了解骨矿化过程。进行详细分析这些技术,他们的优势,限制,和协同效应在骨骼的研究中,本研究旨在促进知识的进步领域的骨科学和为未来的研究提供有价值的见解。
2。材料和方法
2.1。样品制备
从一个骆驼是一个完整的股骨骨从当地零售商购买位于马林,约旦。股骨骨被切割成圆柱形状使用手术刀,接受组织切除。圆柱形骨块分为两组,每个组成的10个随机选择的样本,对微观结构的比较。第一组接受治疗使用细菌冷水浸渍技术,其中样本沉浸在一个封闭的容器装满蒸馏水在室温下一周,水是每两天更换一次,以防止霉菌生长(29日]。与蒸馏水清洗后,骨样本在室温下晾干48小时。
第二组,包括10个样本,通过细菌温水浸渍技术接受治疗。骨样本被放置在一个封闭的容器装满蒸馏水,被带到沸腾,受到这个温度为3小时(30.]。这后,样本容器24小时,冷却至室温。煮骨头样本然后用蒸馏水洗净,风干48小时在室温下以确保一致性在所有样本。随后,所有样本两组使用ATR-FTIR光谱和x射线衍射进行了分析。
2.2。ATR-FTIR光谱学
一个红外光谱仪器(第二张量、铂ATR,力量Optik GmbH)配备mercury-cadmium-telluride探测器(MCT)来获得光谱数据。400和4000厘米之间的光谱范围−1扫描,它对应于骨中的有机和无机化合物。平均每个样本光谱收集24的分辨率扫描4厘米−1。确定峰值位置在我们提出的光谱数据,我们使用OriginPro软件(2020年版)和应用修改Savitzky-Golay滤波器的窗口大小11和一个多项式2的原始数据。这个过滤器是用来克服背景,暗电流噪声和基线漂移。二阶导数法应用于定位峰最大值和最小值,我们使用一个阈值的0.1和0.05的突出标准过滤掉虚假的峰值。
确定峰值的数量来适应,我们首先检查预期我们的样品的光谱特性,其中包括磷酸酰胺我乐队和地区。我们与光谱相关文献引用和之前的实验数据来识别潜在的峰值位置和作业。我们还进行了统计分析使用高斯混合模型来估计数据中潜在的峰值的数量。基于这些分析,我们选择了十峰与磷酸酰胺我地区和十一个山峰地区。乐队被选出的中心位置捕捉我们的样品的主要光谱特性,并与先前的研究一致相似的化合物。我们注意,峰鉴别和拟合方法可能是使用特定的软件和参数的影响,可能会在某种程度上的不确定性。
2.3。x射线衍射(XRD)
浸渍的x射线衍射(XRD)模式骨是用日本岛津公司获得LabX, XRD在2 - 6000 x射线衍射仪θ范围的10 - 70°(布拉格角)步长为0.02°/分钟的扫描速度和3.0 deg. /分钟。进行了x射线衍射测量使用40马20 kV和x射线衍射仪,CuK生成α辐射波长(λ1.5406°。使用起源软件的原始数据进行了分析。
2.4。统计分析
骨的结晶度决心通过1020/1030厘米−1比和半宽度在604厘米(应用)−1,而胶原蛋白交联(1660/1690厘米−1红外光谱法)进行了分析。XRD被用来测量结晶度和晶粒大小在002年的模式。执行统计分析比较结果从冷水和热水骨浸渍方法为每一个分析,使用两个示例t检验。
3所示。结果
3.1。ATR-FTIR和XRD谱
ATR-FTIR光谱和乐队的位置相关的光谱特性如图1。进行红外光谱的频率范围400到4000厘米−1建立潜在的差异在这项研究中使用的两种骨浸渍的方法。重要的是要注意,没有治疗导致消失或出现新的红外波段。只观察到红外波段强度的差异。有着很强的乐队在558和604厘米−1,这是归因于警察丁3−υ4所示。另一个著名乐队在1012厘米−1,这是分配给HPO42−。振动带相应的酰胺组和二氧化碳2−也明显。在骨,有高峰与酰胺和有机基体(CH乐队)。
deconvolute重叠特定的乐队,反褶积分析技术(DAT)是利用使用OriginPro软件(2020年版),显示在图2。乐队的位置是通过先前发表和分析类似的材料从文学和计算二阶导数。高斯带形状和线性基线被对归一化光谱数据作为输入参数。乐队被尽可能最低的数量达到一个回归系数r2价值统一附近(32- - - - - -36]。
(一)
(b)
图3显示的XRD谱浸渍的骨头。水晶阶段出现在样本通过XRD使用标准JCPDS 9 - 0432卡识别系统中可用的软件。骨的XRD谱样品表现出几个峰的强度在25≤2之间的角度θ≤26日对应的晶面002,30≤2之间的角度θ≤34,这对应于211晶面。然而,资料表现出相似的峰位置的差异峰强度和宽度。在这项研究中,我们专注于002年模式计算比较的结晶度和计算晶体大小骨样本后浸渍过程。
3.2。红外分析结晶度指数和胶原蛋白交联的骨头
骨结晶度决心使用传统的带强度的比例1030/1020厘米−1和半宽度(应用)的峰值为604厘米−1。胶原蛋白交联指数估计的部分波段的强度比1660和1690厘米−1。这些参数之间的统计分析和比较这两种方法(冷的水和热开水骨头浸渍)使用两个示例t以及为每一个分析。结晶度的平均值和胶原蛋白交联的样品展示在表1。
在红外分析,结晶度基于平均值的1030/1020厘米−1带强度比开水组略高于冷水集团虽然差异相对较小,这是统计学意义( ),所决定的t以及。矿物结晶度指数计算的基础上,应用峰值的604厘米−1的带宽成反比。这个高峰提供直接信息样品的结晶度指数和对应于磷酸apatitic环境。峰越窄,结晶度指数越高。我们的分析显示,结晶度的平均值的基础上应用的604厘米−1峰值和胶原蛋白交联的开水组显著低于冷水集团( )。
3.3。XRD分析,结晶度和晶粒大小
结晶度的完美程度和大小直接相关的晶体,这是反映在逆的宽度(002)(c-axis反射)骨矿物质粉末x射线衍射模式。粉末近似(37)是用来计算平均晶粒大小(D从XRD数据)。布拉格的常数(k= 0.94),峰半宽度的弧度(β),x射线波长(λCuK = 0.1540598海里α),2θ002年的峰值衍射角(θ)中涉及的参数计算:
XRD分析,如表所示2,002年的平均值的结晶度的半最大值宽度被发现在开水组高于冷水组,但晶体的大小被发现在开水组小于冷水组。这些差异具有统计学意义( 和 ,分别)。单个样本数据在每组观察到非常接近对方,导致一个相对较小的标准差在每组的研究。
4所示。讨论
在这项研究中,我们评估了有机和无机骨结构的变化和差异有关defleshing过程,基于热水和冷水泡软。两个不同的分析技术了。红外光谱结果表明两者之间的显著改变骨结晶度浸渍方法,用于消除软组织的骨头。强度比1030/1020厘米−1被发现在煮骨头,更高,同时应用的峰值在604厘米吗−1较低的煮骨头。这些发现表明,煮骨头样品的结晶度大于骨样本的冷水浸渍处理的方法。
先前的研究一致表明,羟磷灰石更改纯粹与更大的晶体,更高的结晶度,降低孔隙度随着燃烧温度的增加(38),由于碳酸盐岩和含水量的释放39]。除了晶体粒度的变化之外,还有一个重大改变晶体的形状,这主要发生在500°C和700°C (40,41]。尽管大多数研究加热骨都集中在烧骨,但只有很少的研究一直在进行煮骨头。因此,有一个不同的反应时骨煮而不是燃烧。因此,大多数研究在煮骨头检查骨的有机成分的改变,也有证据表明是有区别的骨头煮在海水和淡水42]。
研究结果表明骨样本被沸腾的结晶度高于被冷水浸渍的方法,通过红外光谱根据获得的结果。重要的是要注意,这些结果与晶体样品的债券(27]。然而,XRD数据显示相反的趋势。煮骨头样品的结晶度指数低于骨样本的冷。这些结果与晶体结构安排的样品27]。此外,骨的XRD数据表明一个更大的晶体大小样品在寒冷的水浸渍法。尽管结晶度的增加使用措施在骨骼结构的研究中,尚不确定是否这些方法可以有效地应用而不考虑所有相关的问题与他们的使用和应用程序。换句话说,尽管各种技术可以提供结晶度参数,XRD值相比不能直接获得从红外光谱和拉曼光谱43- - - - - -45]。
化学交联是一个至关重要的I型胶原蛋白的特点,为它提供高的抗拉强度和粘弹性通过分子间交联。红外光谱被用来获得洞察的蛋白质结构通过底层的乐队在光谱区域。特别感兴趣的是分解后的比例(1660/1690厘米−1),它作为衡量胶原交联的骨骼结构。1660厘米−1带的存在α螺旋nonreducible(成熟)胶原蛋白交联,1690厘米−1乐队与交联可约(不成熟的)。
表1表明胶原交联浸渍骨样本服从指数低于开水方法骨样本用冷水浸软。这表明温度是一个重要的因素在确定有机骨概要文件。具体来说,降低交联指数是由于胶原蛋白的减少程度的分子顺序(46]。因此,了解胶原蛋白交联的程度的理解是至关重要的的总体影响骨显微结构的差异。
本研究的发现是有限的几个因素造成的。首先,使用特定的动物残骸样本可能影响结果的普遍性。虽然它先前已经表明骨骼的基本动物模型可以用来研究人类骨由于人类和哺乳动物之间的化学成分相似,存在一些差异在人类和骆驼骨的微观结构,可以对这一研究的结果产生影响。其次,研究提供了洞察两个defleshing技术的性能及其对骨组织的影响,进行额外defleshing技术确认结果。最后,进一步评估骨改变技术,如扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱可以提供更全面的进行知识的变化可能发生在骨微观结构。
5。结论
本研究旨在为利用红外光谱和x射线衍射的重要性的理解在骨骼的研究中,他们的互补性,如何调和骨结晶度的潜在差异的结果。本研究的发现可能影响不同的科学领域,包括生物医学研究、古生物学、考古学、和法医科学,增强我们对骨骼性质的理解,健康,疾病,和演化。
根据红外光谱数据,骨头煮水处理方法表现出更强的结晶度,但XRD数据表示相反。这表明,这两种技术之间的直接比较是不可行的,因为他们测量结晶度的不同参数。此外,胶原蛋白交联明显改变,降低指数在寒冷的水浸渍法。
数据可用性
数据支持当前的研究在本文中是可用的。
信息披露
一个预印本曾发表(47]。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
默罕默德·a . Alebrahim。概念化的研究;默罕默德·a·Alebrahim methodologized研究;默罕默德·a . Alebrahim Ahmad S Al-Hiyasat和阿里sb Rajjash提供软件。正式的分析是由默罕默德·a·Alebrahim Ahmad Al-Hiyasat。;默罕默德·a·Alebrahim写了初稿;艾哈迈德·s·Al-Hiyasat审查并修改了手稿,M-Ali h . Al-Akhras阿卜杜勒Al Darayseh和m . s .审查和编辑的手稿。
确认
作者感谢乔丹科技大学;科学研究的院长职支持本研究在格兰特数量:594/2020。