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散养和笼养土鸡密质骨微观结构与力学性能的研

来源:http://www.himpericia.com 作者:养鸭1000只利润和成本_专业家禽饲养技术,灾病防治_鸡鸭信息网 时间:2019-12-05 04:48

  摘要: 从材料学角度定量分析了散养土鸡与笼养土鸡肱骨密质骨的微观结构、 成分及力学性能。利用扫描电子显微镜观察了散养土鸡与笼养土鸡肱骨密质骨微观结构; 通过能谱分析、 X 射线衍射分析 (X-ray diffraction, XRD) 及骨灰煅烧, 探讨了土鸡肱骨密质骨有机成分和无机成分之间的密切联系; 利用材料力学实验机和显微硬度计测量了散养土鸡与笼养土鸡肱骨密质骨样品的材料力学特性。 结果表明, 散养土鸡与笼养土鸡肱骨密质骨的微观结构、 成分及力学性能存在差异, 散养土鸡肱骨密质骨在硬度和抗弯强度力学性能方面优于笼养土鸡。
关键词: 鸡; 骨; 微观结构; 力学性能
引 言
土鸡,也叫草鸡、笨鸡、柴鸡,饲养方式主要有散养和笼养。迄今,关于土鸡采取散养和笼养不同饲养方式而引起差异的研究主要集中在土鸡的肉质成分、蛋品、发病率、繁殖能力、死亡率、产蛋率等方面[1,2],对土鸡在散养和笼养不同饲养方式下的骨微观结构、成分及力学性能的相关对比研究目前仍是空白。 淮南王鸡是安徽淮南当地常见的一个土鸡品种,试验就以 淮南王鸡作为土鸡的代表,选用了散养和笼养两种饲养方式下的肱骨密质骨,采用宏观和微观相结合的方法对土鸡肱骨密质骨微纳观结构及其力学行为进行了观测研究,试图从材料学的角度对比分析土鸡肱骨密质骨微观结构、成分及力学性能的差异,揭示土鸡在散养和笼养饲养条件下骨微观结构与力学性能之间的关系。
材料与方法
材料
2012 年 4 月,从安徽淮南安成镇下陈养鸡场选取 20 只健康、鸡龄 (20 日龄) 相同的雄 性 淮南王鸡土鸡雏苗分两组进行饲养,一组 10 只安置于笼舍中,另一组 10 只置于地面散养,两组鸡的温度、日照、喂食、疫苗等条件尽量控制一致。10 月,选取重量相当的散养和笼养土鸡各 5 只 (重量平均值为 1460 g,标准差为 21 g),去除鸡肉部分,取得鸡的肱骨中间部位 (见图 1),用锯子沿肱骨长轴方向锯开,剔除骨松质和骨髓,得肱骨的密质骨,依次将密质骨放入 30%、70%、80%、100%的乙醇溶液中逐级脱水各 10~15 min,用 KQ5200 型超声机进行超声清洗 20 min 后,取出试样包裹在湿的生理盐水纱布中,置于冰箱冷藏室中保存备用,一周内完成全部试验。
扫描电子显微镜观测和能谱分析
用奥地利产 Leica SCD 500 型真空镀膜仪对土鸡肱骨密质骨的纵、横断面表征样品进行真空喷金表面处理,在 Quanta 200 FEG 型场发射环境扫描电子显微镜下观察土鸡肱骨断面形貌,试验中扫描电镜的观察距离为 10~15 mm,加速电压为 30 kV,扫描模式为高真空模式,并用扫描电镜对样品进行能谱分析,分析土鸡肱骨密质骨的元素含量。
X 射线衍射分析
将土鸡肱骨密质骨置于温度为 45℃的烘箱中,时间为 12 h,然后,在温度为 850℃的电炉中煅烧 3 h,保温 2 h 后随炉冷却, 得到白色骨灰,将骨粉置于玛瑙研钵中研磨成细粉备用。X 射线衍射分析 (X-ray diffraction, XRD) 采用 D8-FOCUS 型 X 射线衍射仪,衍射仪工作条件为 Cu 靶,电流、电压分别为 40 mA 和 40 kV,衍射角范围是 10°~90°,发散狭缝、防散射狭缝和接收狭缝依次为 2、2.3 和 8 mm,速度为 5°/min。
材料力学测试
三点弯抗弯强度测试
用碳化硅颗粒砂纸 (800 目、1500 目、2000 目),采用粗磨 - 细磨的方式对土鸡骨样品进行打磨,将土鸡肱骨密质骨样品尺寸统一为 25.0 mm × 2.5 mm × 1.2 mm,制备散养和笼养土鸡骨样品各 10 个,并在样品上标出中点的位置记号。利用 WDTII-20KN 型电子万能试验机对所制肱骨密质骨样品进行三点弯试验。将样品放在仪器两个支点上,样品中点位置对准仪器支点连线的中点。试验条件控制在室温 22℃、湿度 55%、跨距为 20 mm,跨距是厚度的 16.7 倍,符合国际规定。试验机的上夹头速率为 0.01 mm/min,对准样品的中点进行加载,直至样品破坏。显微压痕硬度测试
取土鸡肱骨正中间部分密质骨的片段置于金相试样镶嵌机中,用电玉粉包埋,镶嵌温度为 145℃,时间为 12 min,制成镶嵌样品。选用碳化硅颗粒砂纸 (2000 目) 对样品表面打磨、抛光,露出平滑的鸡骨面;利用 HXS-1000A 型显微硬度计对所制密质骨片段样品进行压痕试验,显微硬度计的试验参数是:室温 22℃、湿度 55%,试验力为 25 gf、保持时间为15 s,在每个片段试样选取 10 个测点, 10 个测试点均选择在密质骨片段的中点附近,测试点间间距为 30 μm。
结 果
微观结构分析
图 2 是散养和笼养土鸡肱骨密质骨的扫描电镜图像,由图 2A、图 2B 可观察到,散养和笼养土鸡肱骨的密质骨均为多孔结构,但断裂表面有显著的差异。首先,散养和笼养土 鸡肱骨密质骨疏密度不同,其中,散养土鸡密质骨中孔洞小、空隙小,尺寸大约在 5 μm内,骨质密实 (图 2A);而笼养土鸡密质骨中孔洞大、空隙大,尺寸 10~30 μm,骨质稀疏(图 2B)。图 2C、图 2D 是散养和笼养土鸡肱骨密质骨的扫描电镜高倍图像,由图 2C、图2D 可观察到散养和笼养土鸡肱骨密质骨另一个显著差异,散养土鸡肱骨密质骨主要由矿化胶原纤维组成,矿化胶原纤维为纳米线,直径在 20~90 nm 左右,沿肱骨的长轴方向平行排列,排列整齐,且有特定的方向,矿化胶原纤维还集结成束,不同束状胶原蛋白纤维束的汇合处重新组合成新的胶原束,构成纤维交织结构 (图 2C);而在笼养土鸡肱骨密质骨中观测不到胶原纤维纳米线,胶原纤维呈明显的类胶合板状,断面表现相对平滑 (图 2D)。

主要成分分析
图 3 和表 1 是散养和笼养土鸡肱骨密质骨的扫描电镜能量损失图谱分析结果,由图 3可以看出,散养和笼养土鸡肱骨密质骨的主要元素分别为 C、O、N、P、Ca 五种元素,且从表 1 中可看出这五种元素在散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨中所占比例存在显著差异,散养土鸡肱骨密质骨中 C 元素的重量百分比 (weight percent, Wt%) 为最高,其次是 Ca 元素,五种元素 Wt%由高到低的顺序为 C、Ca、O、N、P;笼养土鸡肱骨密质骨中 Ca 元素的 Wt%为最高,其次是 O 元素,五种元素 Wt%由高到低的顺序为 Ca、O、P 、C、N。

由于骨骼灰化烧除了骨中的有机成分,而且使非晶态的羟磷灰石转变为晶态结构,改善了骨中羟磷灰石的结晶度[3],所以,灰化后的土鸡肱骨密质骨的 XRD 衍射谱能够更准确地表示肱骨密质骨的物相和晶态。图 4 是散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨的 XRD 图谱,从图 4 中可看出,散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨的 XRD 图像基本一致,二条 XRD 曲线的主峰位置均在 2θ = 25.90、31.90、46.60 和 49.60 处又锐又强,与标准图谱比对,正好对应羟基磷灰石图谱中的最强、次强峰及胶原蛋白所在峰的位置,据此表明,灰化后的散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨的主要组成成分是胶原纤维和无机相的羟基磷灰石。
材料力学特性
显微硬度是鸡骨力学性能的重要参数,同时也能反映鸡骨中矿物质的含量高低, 显微硬度越高,矿物质含量越高,反之则表明矿物质含量低。图 5 是散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨显微硬度测量结果,结果显示散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨各测试点显微硬度值分布均匀,散养土鸡肱骨密质骨的各个测试点的显微硬度值均比笼养土鸡肱骨密质骨各个测试点的硬度值要大,且散养土鸡肱骨密质骨的显微硬度平均值明显较大,其显微硬度平均值为 516.95 MPa,标准差为 24.21;笼养土鸡肱骨密质骨的显微硬度值明显较小,其显微硬度平均值为 331.83 MPa,标准差为 27.81。
三点弯试验是为了测试骨的抗弯强度,抗弯强度表示材料抵抗弯曲不断裂的能力[4]。将土鸡肱骨密质骨的三点弯试验数据代入三点弯抗弯强度计算公式 σf= 3FmaxL02bd2 (L0 为跨距,b、d 分别代表三点弯曲样品的宽度和厚度, Fmax 为最大弯曲应力, σf 为抗弯强度)[5]中,计算得出散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨的最大弯曲强度值。表 2 是散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨各个试样的最大弯曲强度值,由表 2 中数据计算得出散养土鸡肱骨密质骨弯曲强度的 平 均 值 为 124.65 MPa,标 准 差 为 8.02;笼 养 土 鸡 肱 骨 密 质 骨 的 弯 曲 强 度 平 均 值 为94.22 MPa,标准差为 7.21。试验结果表明,散养土鸡肱骨密质骨的弯曲强度明显大于笼养土鸡的弯曲强度。
讨 论
有文献资料表明[6~10],骨生物材料具有很好的强度、韧性和硬度,这些力学性质取决于其物质组成和结构。骨的主要组成成分是羟基磷灰石、Ⅰ型胶原和水,组成骨的Ⅰ型胶原分子平行排列连接形成胶原微纤维,胶原微纤维的直径约为 80~100 nm,微纤维之间轴向连接,并具有 30 nm 的空隙,矿物片嵌插在这些空隙中形成矿化胶原纤维;矿化胶原有序平行排列集结成束。矿化胶原束组合有平行排列、纤维交织结构、夹合板结构、纤维放射状排列四种形式,其中,平行排列这种模式是最常见的排列模式,其优点是可以在特定的方向上使力学性能得到优化;夹合板结构的力学各相异性远低于平行纤维骨。
因此,在本研究中,我们对散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨的微观结构、组成成分与力学性能的关联进行了对比研究。结果表明散养土鸡肱骨密质骨的力学性能明显优于笼养土鸡,具有很好的硬度和抗弯强度。散养土鸡这种较强的力学性能取决于其组成成分和结构,这一点可由扫描电镜所观察到的鸡骨断面形貌及骨组成成分帮助理解。第一,散养土鸡和笼养土鸡的肱骨密质骨主要由矿化胶原纤维组成,矿化胶原纤维由胶原纤维和羟基磷灰石复合而成[11],即由矿物相和有机高分子相组成,这种结构使得肱骨密质骨具有 软硬兼备的多级结构设计[12];从散养土鸡和笼养土鸡的肱骨密质骨成分来看,散养土鸡和笼养土鸡肱骨密质骨的骨样品烧失率分别为 3.96%和 4.64%,说明散养土鸡和笼养土鸡的肱骨密质骨中无机成分和有机成分的比例存在差异,散养土鸡肱骨密质骨的烧失率较低,无机物含量多,硬度强,抗压强度大,载苛作用下形变量更小,保证了散养土鸡肱骨密质骨有较强的硬度和抗弯强度等力学性质;笼养土鸡肱骨密质骨的烧失率较高,有机物更多,硬度小,抗压强度低[13,14]。第二,散养土鸡和笼养土鸡的饲养方式、所处环境不同,散养土鸡在平地放养,进行走、跑、跳、摆等适量运动;这些基本运动形式对土鸡骨骼形成了一种 长期的、周期性的动态外部冲力作用。根据 Woff 定律,外部应力可以影响肱骨密质骨的形状和骨结构[15]。因此,从扫描电镜观察到散养土鸡肱骨密质骨中矿化胶原纤维为纳米线,纳米线中的胶原纤维将羟基磷灰石隔离成变形的、相互独立的纳米晶体,胶原纤维和羟基磷灰石的这种纳米复合结构使矿化胶原纤维纳米线获得了较高的强度和鲁棒性[16]。矿化胶原纤维纳米线沿骨的长轴方向整齐地平行排列,形成矿化胶原纤维束,且有特定的方向,不同束状胶原蛋白纤维束在汇合处重新组合成新的胶原蛋白纤维束,构成纤维的交织排列结构,这种典型的排列设计和几何形状,使散养土鸡肱骨密质骨的力学性能达到最优化;而笼养土鸡长期圈养在笼中,缺少运动,因此,其肱骨密质骨结构与散养土鸡存在差异,笼养土鸡肱骨密质骨中没有观测到矿化胶原纤维纳米线,其矿化胶原纤维呈夹合板结构,这种夹合板结构使其力学各相异性远低于散养土鸡肱骨密质骨的平行纤维结构。第三,土鸡散养,长期进行适量的运动, 有效地改善了肱骨密质骨密度[17],图 2A 显示散养土鸡肱骨密质骨矿化胶原纤维束间孔洞小, 骨质密实,致密性较高,这也加强了骨质的强度和韧性,从而表现出较强的力学性能;图 2B 显示笼养土鸡的胶原纤维束间孔洞大,骨质稀疏,致密
性明显下降,疏松排列的骨质可能是断裂裂纹发生的起源,且扫描电镜观察到笼养土鸡骨断裂表面相对平滑,而这是脆性材料的断裂特征之一[18]。在试验样品制备过程中,我们也发现笼养土鸡骨容易断裂,抗弯强度小。
综上所述,由于饲养方式及所处环境不同,引起散养和笼养土鸡骨的微观结构、组成成分的差异;在散养土鸡肱骨密质骨中矿化胶原纤维为纳米线,矿化胶原纤维沿骨的长轴方向平行排列,形成矿化胶原纤维束,矿化胶原纤维束间孔洞小,骨质密实,无机物含量多;笼养土鸡肱骨密质骨的矿化胶原纤维呈夹合板结构,胶原纤维束间孔洞大,骨质稀疏,有机物更多,因而散养土鸡在硬度和抗弯曲强度力学性能方面优于笼养土鸡。

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