Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

لتحسين طرق الاختبارات الميكانيكية لتقييم العظم زرع مرسى

Published: February 10, 2014 doi: 10.3791/51221
Automatic Translation
1, 1, 1
1Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering, University of Toronto

Summary

ويقدم وسيلة لتحسين ميكانيكيا اختبار مرسى العظام على الأسطح زرع مرشح. يسمح هذا الأسلوب للمحاذاة من قوة التعطيل بالضبط عمودي، أو موازية، إلى الطائرة من سطح الزرع، ويوفر وسيلة دقيقة لتوجيه القوات تعطل منطقة شبه زرع وجه الدقة.

Abstract

وقد أدت التطورات الحديثة في العلوم المادية إلى زيادة كبيرة في تعقيد الطوبوغرافية من السطوح الزرع، سواء على والصغرى مقياس النانو. على هذا النحو الطرق التقليدية، واصفا من أسطح زرع - المحددات وهي العددية للخشونة السطح - غير كافية للتنبؤ في أداء الجسم الحي. يوفر اختبار النشاط الحيوي منصة دقيقة والمقارنة لتحليل أداء السطوح مادة بيولوجية. ويرد على تحسين طريقة اختبار الميكانيكية لاختبار رسو العظام على الأسطح زرع مرشح. الأسلوب ينطبق على كل المراحل المبكرة، وبعد الشفاء ويمكن استخدامها لأية مجموعة من الأسطح معدلة كيميائيا أو ميكانيكيا - ولكن ليس على نحو سلس السطوح. يتم وضعها يزرع العرف مستطيلة ثنائيا في أفخاذ؛ فخذان البعيدة من فئران ويستار الذكور وجمعها مع العظم المحيطة بها. تم إعداد عينات الاختبار وبوعاء باستخدام قالب الرواية الانفصالية وتعطيلويجري اختبار باستخدام آلة الاختبار الميكانيكية. يسمح هذا الأسلوب للمحاذاة من قوة التعطيل بالضبط عمودي، أو موازية، إلى الطائرة من سطح الزرع، ويوفر وسيلة دقيقة وقابلة للتكرار لعزل منطقة شبه زرع المحدد للاختبار.

Introduction

وقد تم تقييم رسو العظام على الأسطح زرع داخل العظم محط اهتمام كبير، والتي كثير من طرق الاختبار الميكانيكية وقد وصفت 1،2. كل هذه الأساليب فرض القوة لتعطيل نموذج العظم / زرع يجري استخدامها، ويمكن تصنيفها على نطاق واسع في القص، وقدمت عموما كما دفع بها أو نماذج سحب 3،4، 3،5 عكس عزم الدوران، وأنواع الشد 6، 7. عادة في مثل هذه التجارب، إما العظام 8 أو مواد الزرع (في حالة هشة من النظارات والسيراميك 9،10) وكسر و، على افتراض شكل من أشكال مرسى حدث، وبقايا العظام واجهة / زرع (على الأقل جزئيا) سليمة. مثل هذه النتائج التجريبية تعني ليس فقط أن القوة المطلوبة للتسبب في كسر (أو تعطيل) من هذا النموذج هو ليس القوة المطلوبة لفصل واجهة العظام / زرع 11،12، ولكن أيضا أن مساحة المعقدة للطائرة كسر إنشاؤها يمكن يكون صهر لالقياس الدقيق. ومع ذلك، يمكن أن تكون مثل هذه الاختبارات ذات الصلة سريريا، نظرا لأنها توفر مقياس مقارن لقدرة يزرع من التصاميم سطح متفاوتة لأن ترسو في العظام. ومع ذلك، تجدر الإشارة أيضا إلى أن مثل هذه المقارنات هي صالحة فقط داخل نموذج تجريبي، في حين المقارنات بين النماذج التجريبية محفوفة صعوبة منذ المحققين استخدام أنواع الحيوانات المختلفة واظهار إما رقائقي أو العظام منسوجة؛ تربيقية العظام القشرية أو الشفاء النماذج، ومختلفة الميكانيكية هندستها الاختبار والظروف.

في محاولة لاستخلاص قياس قوة الشد واجهة العظام / الزرع، وقد استخدمت العديد من المحققين مساحة الاسمية للزرع لاشتقاق "الشد" القيمة، منذ يقاس قوة الشد كقوة في وحدة المساحة. ومن الواضح أن هذا التقريب معينة، كما هو موضح أعلاه، أن واجهة العظام / زرع لا تزال سليمة في كثير من الاختبارات تعطيل توظيفأد. بالإضافة قياس المساحة السطحية للزراعة، وخاصة الأسطح المعقدة الطوبوغرافي، يقتصر بقرار من تقنية القياس كما نوقش من قبل رونالد آخرون 13 ومع ذلك، على النحو الذي استعرضه Brunski وآخرون. 2، عندما مساحة الاسمية للزرع يؤخذ بعين الاعتبار، وانتفى الفروق الظاهرة في "الشد" المرتبطة تصاميم سطح زرع مختلفة، مما يشير إلى أن الأسطح زرع مع مساحة سطح أكبر توفير مساحات أكبر من العظم / زرع الاتصال وبالتالي تتطلب المزيد من القوة لكسر النموذج. وبالتالي وهذا يعني أن أكثر تعقيدا الطوبوغرافي أسطح يمكن أن تزيد من تكون العظم الاتصال، مما يؤدي إلى زيادة الاتصال الزرع في العظام (BIC) والناتجة القيم تعطل أعلى في الاختبارات الميكانيكية. الاتصال تكون العظم هو نتاج ظاهرتين متميزتين: osteoconduction وتكوين العظام. في الواقع، لقد أظهرنا أن يزيد في osteoconduction على topographالأسطح المعقدة ically يمكن كميا بقياس الناتجة بيك 14 وأن يؤدي مثل الأسطح أيضا التعطيل الميكانيكية أعلى تثمن 12

ومع ذلك، فإنه هو مفيد أن نلاحظ أن العظم شبه الزرع يمكن أن تشكل من قبل اثنين من الآليات. في خلايا المنشأ تكون العظم الاتصال الوسيطة تهاجر إلى السطح زرع (osteoconduction)، تفرق في خلايا العظام، ووضع دي نوفو مصفوفة العظام على سطح زرع (تكوين العظام). أول مصفوفة عظمي وضعت هو خط الاسمنت المعدنية كما رأينا في العظام العادي إعادة عرض 15 (هناك كثير من الالتباس في الكتابات حول هذا الهيكل البيولوجية المعادن التي يعتقد في بعض الأحيان إلى أن تكون الامم المتحدة والمعادن 1 أو syncretized مع جميع الواجهات في العظام 16 - لمناقشة كاملة حول هذا الموضوع راجع ديفيز وحسيني 17). الاتصال تكون العظم هو شرط أساسي لظاهرة العظام-الترابط، ولكن غير الأساسية لنشوب العظام 18. خط الأسمنت المعادن من العظام أضعف ميكانيكيا من المقصورة الكولاجين المعدنية للعظم 19. وبالتالي، حدسي، إذا تم مقارنة تشابك الاسمنت خط مصفوفة مع ميزات زرع نانو مع أنسجة العظام في النمو إلى ميزات زرع الكلي ثم القوة الميكانيكية اللازمة لتعطيل السابق من شأنه، إلى حد معقول، من المتوقع أن تكون أقل من هذا الأخير، ونحن وقد أثبتت هذه التجربة مؤخرا 12.

يمكن العظم شبه زرع تشكل أيضا عن طريق تكون العظم بعد. في هذه الحالة، وتودع العظام على سطح العظام القديمة ويحصل تدريجيا أقرب إلى السطح مما أدى إلى زرع واجهة تضم مصفوفة غير متبلور وبقايا الخلايا المكونة للعظم 20. بشكل عام، ويرتبط مع تكون العظم مسافة نحو سلس، أو تشكيله، الأسطح زرع داخل العظم وغالبا ما ينظر في التئام العظام القشرية، في حين microtopographicaوترتبط السطوح المعقدة مع LLY تكون العظم اتصال وهذا هو أكثر نموذجية من تربيقي التئام العظام. وكانت نماذج اختبار الشد باستخدام الأسطح الملساء وزرع القشرية التئام العظام قادرة على اختبار خصائص لاصقة من هذا متبلور غائبة مصفوفة البيولوجية من تكون العظم الاتصال المرتبطة أسطح معقدة الطوبوغرافي، وأظهرت أن ما يسمى الرابطة "الكيمياء الحيوية" التي تحدث يوفر عنصرا ضئيلا من القيم "الشد" ذكرت مع الأسطح المعقدة الطوبوغرافي 21. على العكس من ذلك، وذلك باستخدام نموذج تربيقي التئام العظام، وونغ وآخرون 22 وأظهرت "وجود علاقة ممتازة" بين زرع خشونة السطح وطرد الحمل الفشل، وأشار إلى أن الروابط الكيميائية لعبت بالفعل دورا يذكر في المرسى من العظام إلى زرع السطح. في حين أنه من المحتمل أن كلا من الاتصال وتكون العظم مسافة تحدث، بدرجات متفاوتة، في جميع داخل العظم شبه implaالإقليم الشمالي الشفاء مقصورات، أظهرت السطوح معقدة microtopographically لنفسها ان تكون مفيدة بشكل خاص في الشفاء العظمية تربيقي المقصورات 23. وتصنف هذه الأخيرة على أنها من الفئة الثالثة أو الدرجة الرابعة العظام في الأدب الأسنان 24.

هدفنا كان التركيز على آليات الاتصال وتكون العظم الناتجة المرسى العظام / التي يمكن أن تترتب على ذلك زرع في بيئة العظام الشفاء تربيقية. هذا المرسى، والذي يعتمد على تضاريس سطح الزرع (انظر أعلاه)، يمكن أن تحدث في مختلف نطاقات-الحجم. من جهة، وتورط فقط ميزات زرع submicron في العظام الرابطة - كما وصفها تشابك من الاسمنت العظمي خط المصفوفة مع هذه السطوح، وينظر إليه على النظارات النشطة بيولوجيا، والسيراميك وأكاسيد المعادن شبكي. من جهة أخرى، وأنسجة العظام (أحيانا كاملة مع الأوعية الدموية في الدم) يمكن أن تنمو لتصبح متعددة ميكرون، أو المستوى الكلي، ملامح زرع السطوح 18. كلتا الحالتين الدقةULT في شكل من أشكال مرسى العظام على سطح الزرع، على الرغم من أن الآليات بوضوح مختلفة. ومع ذلك، فإن الفشل المشترك للغالبية طرق الاختبار الميكانيكية المشار إليها أعلاه هو لمحاذاة قوة اضطراب في طائرة عمودية تماما، أو موازية لتلك التي على سطح زرع (اعتمادا على ما إذا كان يعمل أو الشد القص واسطة). نحن هنا تقرير الأسلوب الذي يتغلب على هذا القيد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. زرع تصميم وتصنيع، والمعالجة السطحية

  1. تصنيع يزرع مستطيلة (أبعاد 4 مم × 2.5 مم × 1.3 مم؛ طول × عرض × ارتفاع) من التيتانيوم النقي تجاريا (cpTi). حفر حفرة مركزيا أسفل محور طويل من زرع (قطر = 0.7 مم) لتسهيل الاستقرار زرع في وقت مبكر داخل الموقع الجراحية والاختبار الميكانيكي لاحقة (الشكل 1).
  2. علاج الأسطح العلوية والسفلية من الزرع.
    1. لإنشاء سطحين متميزة، واستخدام حصى التفجير (GB) العلاج القياسي لخلق سطح معقدة microtopographically. مزيد من تعديل نصف يزرع من قبل بتركيب فوسفات الكالسيوم (CAP) النانوية لخلق سطح معقدة nanotopographically.

ملاحظة: مختلف العلاجات الكيميائية أو الميكانيكية يمكن تطبيقها على إنشاء تضاريس السطح المطلوب و / أو الكيمياء، وهذه سوف تعتمد على طبيعة questi التجريبيةعلى أن يتم معالجتها. في المثال المقدمة هنا، تعرض مجموعة واحدة من التيتانيوم النقي تجاريا (cpTi) يزرع لحصى التفجير (GB) - وهي عملية مطروح - لإنشاء microtopography المعقدة. ثم تم تعديل نصف يزرع مزيدا من خلال إضافة فوسفات الكالسيوم (CAP) البلورات النانوية لإنشاء nanotopography السوبر المفروضة (GB-DCD).

ملاحظة: عند عرض الجزئي سطح حصى انتقد مقارنة مع تعديل نانو السطح، في 10،000 X التكبير، وليس هناك اختلاف واضح في خصائص السطح. ومع ذلك، عندما ينظر في 100،000 X التكبير، والاختلافات تصبح واضحة تماما (الشكل 2). وقد تبين في السابق أن مثل هذه التغييرات السطحية لها آثار عميقة على osteoconduction 14.

2. نموذج الحيوان والإجراءات الجراحية

  1. استخدام الشباب فئران ويستار الذكور (200-250 ز) لهذا النموذج. يجب الموافقة على جميع الإجراءات بمحلية كوم رعاية الحيوانmittees. تسمح الحيوانات حرية الوصول إلى المياه وتشاو الفئران.
    ملاحظة: وقد تم اختيار فئران ويستار لهذا الإجراء نظرا لخبرة سابقة مع هذه السلالة من الفئران، على الرغم من سلالات أخرى من الفئران يمكن استخدامها. الحصول على الغذاء والماء ويمكن تغيير، اعتمادا على طبيعة المسألة التجريبية التي تجري معالجتها.

  2. الفئران رزين باستخدام التخدير استنشاق تدار من خلال مخروط الأنف: 4٪ isoflurane وLO 2 في 1 / دقيقة لتحريض؛ 2٪ isoflurane وفي 1 L أكسيد النيتروز و0.6 LO 2 / دقيقة للصيانة. إجراء الاختبار المعياري لقرصة أخمص القدمين لضمان تخدير فعالة قبل متابعة هذا الإجراء.
  3. إدارة مسكن ما قبل وبعد العملية عن طريق الحقن تحت الجلد من 0،01-0،05 ملغ / كغ البوبرينورفين.
  4. تعيين يزرع من قبل العشوائي الجزئي ووضع ثنائيا في كراديس البعيدة من أفخاذ؛ فخذان الفئران. وهذا يسمح زرع مختلفة، واحد من كل من مجموعة مختارة من تصاميم السطح مختلفة ليتم مقارنةد، في المقابل أفخاذ؛ فخذان، لتحسين التحليل الإحصائي.
  5. إعداد هذه الحيوانات عن طريق الحلاقة وتنظيف الجانب انتيرو الوحشي من كل الساق الخلفية مع 10٪ بتدين. لمنع انخفاض حرارة الجسم، ووضع وسادة دافئة توزيع المياه تحت تخدير الفئران.
  6. باستخدام مشرط جراحي رقم 15، إجراء شق خلال الجلد على طول الجانب الوحشي من الفخذ لفضح العضلات. كشف عظم الفخذ البعيدة باستخدام تشريح حادة لصرف الهيئات العضلات بطريقة الغازية الحد الأدنى.
  7. كشط بعيدا طبقة رقيقة من السمحاق المغطي عظم الفخذ، وذلك باستخدام رافعة السمحاق، للكشف تماما عن العظام القشرية الحفر. يجب الحرص على عدم الاضرار لوحة النمو أو الغضروف المفصلي لمفصل الركبة أثناء تشريح حادة وإزالة السمحاق.
  8. مرة واحدة تنظيفها وتفتيشها، وتناوب على عظم الفخذ أفقيا لفضح الجانب الأمامي من الفخذ البعيدة (الشكل 3A).
  9. لتحضير موقع الجراحة، حفرفتحة مستطيلة bicortical أسفل منتصف العظام من خلال كل من القشور. لتجنب ارتفاع حرارة الأنسجة، ويجب الحفاظ على الري المالحة في جميع أنحاء الحفر من قبل مساعد الجراحية. إجراء الحفر في ثلاث مراحل:
    1. أولا، من خلال حفر القشرة الأمامية، ويتعرضون من خلال تشريح، وذلك باستخدام 1.3 مم لدغ الأسنان تعلق على قطعة اليد الأسنان لإنشاء اثنين من الثقوب 2.5 مم وبصرف النظر على طول خط منتصف عظم الفخذ.
    2. المقبل، واستخدام مثقاب الثانية (1.3 ملم تطور لدغ الأسنان) لتوسيع هذه الثقوب من خلال القشرة المنافس، مما أدى إلى فتحات موازية bicortical.
    3. أخيرا، والانضمام إلى الثقوب باستخدام مخصص ثالث خفض الجانب لدغ في اتجاه الداني القاصي، وتشكيل موقع للزرع (الشكل 3B).
  10. تمرير الخيط من خلال تحلل الخلل العظام باستخدام إبرة المرفقة والعودة في جميع أنحاء القشرة الفخذ الخارجي.
  11. الخيط زرع على نهاية خالية من خياطة وترشدها إلى الخلل، ثهنا ينبغي أن يكون الضغط المجهزة. على هذا النحو، ينبغي توجيه محور طويل من زرع عمودي على محور طويل من عظم الفخذ (الشكل 3C).
  12. ربط الخيط حول الجانب الوحشي من الفخذ لتوفير الاستقرار خلال زرع التعافي بعد الجراحة والمراحل الأولى من الشفاء. استخدام الخيط المتبقية لإغلاق الأنسجة العضلية، والأنسجة الجلدية reoppose استخدام الدبابيس الجراحية (9 مم مقاطع الجرح).
  13. تفتيش المواقع الجراحية لعلامات العدوى، ومراقبة الحيوانات يوميا لقدرة الإسعافية للخطر. استبعاد الحيوانات التي لا يتعافى تماما التمشي، أو تلك التي لديها كسور الفخذ في التضحية، من التحليل.

3. عينة حصاد

  1. التضحية الحيوانات في 9 أيام بعد الجراحة قبل خلع عنق الرحم بعد CO 2 التعرض.
  2. على التضحية، فصل أفخاذ؛ فخذان ونظيفة من الأنسجة اللينة. تخزين على الفور في 15٪ حل العازلة السكروز للحفاظ على النسيج ساعةydration في التحضير للاختبار الميكانيكية (الشكل 4A).
    ملاحظة: يتم تخزين العينات في حل العازلة السكروز للحفاظ على ترطيب الأنسجة أثناء النقل بين المرافق. سوف تنفق ما يقرب من العينات 2-3 ساعة في محلول أثناء التحضير للاختبار الميكانيكية.

  3. لتحضير العينات للاختبار الميكانيكية، وتقليم العظام لعرض يزرع باستخدام لدغ الماس اسطوانية تعلق على نظام سرعة عالية. تتكون عينات الاختبار النهائي من اثنين من الأقواس من العظم يعلق على كل وجه من زرع (الشكل 4B). للأقواس أن تسقط أثناء إعداد أو النقل، تعيين قيمة الاختبار الميكانيكي لل0 N.
    ملاحظة: من المهم أن يكون لطيف جدا ودقيقة عند تقليم العينات، من أجل تجنب إلحاق الضرر أو الإجهاد المسبق واجهة. الكالس تعويضية عظمي يمكن أن تنمو حول محور طويل من عملية الزرع، وحتى في حفرة طولية. يجب إزالة هذه العظام الزائدة من قبل ثلاثيmming العينات للأبعاد الدقيق للزرع مستطيلة، كما يمكن أن تحرف نتائج الاختبارات الميكانيكية.

4. اختبار الميكانيكية

تم تصميم القالب المخصص الانفصالية إلى وعاء لكل عينة، وخلق وسيلة للتكرار ودقيقة لإعداد العينات للاختبار الميكانيكية. تصميم يسمح لعزل منطقة 0.5 ملم من العظم شبه زرع لمنطقة الاختبار متسقة، في حين عقد العينة تركزت والأفقي تماما أثناء عملية الوضع في القدر، مما يسمح لتطبيق قوة مباشرة عمودي على سطح الزرع. انظر الشكل 5 للرسومات هندسية كاملة والشكل (6) لمكونات النهائي.

ملاحظة: السلوك كل اختبار باستخدام جهاز اختبار الميكانيكية، وتعمل بسرعة الأخمص من 30 مم / دقيقة. لتقييم نوعي من العظام المتبقية الاختبار التالي، ويمكن استخدام مجهر تشريح.

  1. بوتينغمن العينات والاختبارات الميكانيكية
    1. إزالة عينات من محلول السكروز عازلة وجافة وصمة عار بلطف.
    2. عينة الموقف في قالب مخصص. حرك دبوس أفقيا من خلال ثقوب في جدران القالب وخلال ثقب في وسط الزرع. وضع لوحة استقرار على الجانب الخلفي من العفن لتحقيق الاستقرار في زرع (الشكل 7).
    3. ملء قاعدة القالب مع مركب الأسنان flowable وعلاج لمدة 60 ثانية باستخدام عالية الكثافة علاج الخفيفة.
      ملاحظة: من المهم لاختيار المركبة التي لا يتم تعيين مع رد فعل الطاردة للحرارة، كما مثل الحرارة المتولدة قد تؤثر على خصائص الأنسجة.
    4. بعد المعالجة، فتح العفن وإزالة كتلة العينة تصلب. رسم خط أسود رقيق في علامة دائمة على القوس الجانبي لأغراض تحديد الهوية.
    5. إصلاح نسخة طبق الأصل الجاهزة من عينة اختبار في الرذيلة، وتركز الوحدة على قاعدة أداة اختبار الميكانيكية.
    6. تأمين العينة إلى نائب واجتياز خط النايلون من خلال ثقب في زرع (الشكل 8). إرفاق المغفلة إلى وسط أخمص تتحرك. من أجل التناسق، وتسمية دائما واختبار الجانب الوحشي الأول. كرر العملية مع القوس وسطي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

زيادة جميع الحيوانات نشاطهم الإسعافية مع مرور الوقت بعد استردادها من الجراحة. هذا أمر مهم لأن الحمل له آثار مختلفة على نطاق وتصاميم نطاقات مختلفة، ونحن قد ذكرت مؤخرا 12. ويرد منحنى القوة / النزوح ممثل لعينات الاختبار التالي الاختبار الميكانيكي في الشكل 9A، ويتم تقديم البيانات المتوسط ​​لكل سطح زرع في الشكل 9B. وسجلت قيمة القوة القصوى التي كتبها كل عينة المحققة والقيم متوسط ​​مجموعة للمقارنة (ن = 28 لكل مجموعة). سطح GB-DCD، مع ميزات الطبوغرافية submicron فرضه على سطح الكامنة المعقدة microtopographically، كان القيم القوة تعطل أعلى بكثير من معدلة GB الصغرى السطحية (ع <0.0001) (الشكل 9B).

بعد اختبار الميكانيكية، ويمكن ملاحظة أن 92٪ من العينات بكسر في الهدف إد المنطقة شبه زرع (الشكل 10).

الشكل 1
الشكل 1. يزرع مستطيلة مصمم خصيصا. وجوه العلوية والسفلية هي المواقع الأساسية للنمو وبدل. الأبعاد: 4 مم × 2.5 مم × 1.3 مم (طول × عرض × ارتفاع) وحفرة قطرها 0.7 مم.

الرقم 2
الشكل 2. مجال الانبعاثات SEM الميكروسكوب من الأسطح زرع المستخدمة. هي الاختلافات في التضاريس من الصعب أن نرى في 10،000 التكبير × (أعلى)، ولكن واضحة جدا في 100،000 X (القاع). (A، C): GB و (B، D): عينات GB-DCD.

الطبقة = "jove_content" FO: المحافظة على together.within صفحة = "دائما"> الرقم 3
الرقم 3. (A) وبعد تعريض عظم الفخذ باستخدام تشريح حادة وإزالة السمحاق، (B) تم إنشاء فتحة bicortical باستخدام إجراء الحفر على 3 مراحل، و (C) الزرع تم تركيب الصحافة في مكانه ومعتمدة مع خياطة القابلة للتحلل.

الرقم 4
الشكل 4 (أ) تم حصادها أفخاذ؛ فخذان من الحيوانات التضحية. زرع مستطيلة مرئيا في عظم الفخذ البعيدة. (ب) عينة اختبار النهائي مع كل من وسطي والقوس الجانبي على جانبي الزرع.

ضمن صفحة = "دائما"> الرقم 5
الرقم 5. الرسومات الفنية لقالب الانفصالية مخصصة تستخدم لوعاء الميكانيكية عينات الاختبار. اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.

الرقم 6
الرقم 6. تصميم القالب الانفصالية مخصص للاختبار الميكانيكية.

الرقم 7
الرقم 7. SPECI بوعاء الرجال في قالب مخصص.

الرقم 8
الرقم 8. العينة تركزت في ميكانيكية أداة الاختبار قبل الاختبار الميكانيكية.

الرقم 9
الرقم 9. (A) منحنى القوة الممثل / استطالة ولدت بعد الاختبار الميكانيكية. (ب) القيم متوسط ​​القوة انقطاع (N) سجلت بسرعة الأخمص من 30 مم / دقيقة في 9 أيام القتل الرحيم الوقت نقطة (ن = 28 العينات لكل مجموعة). (*) = دلالة إحصائية.

1221fig10highres.jpg "سرك =" / files/ftp_upload/51221/51221fig10.jpg "/>
الرقم 10. كسر أنماط الأقواس القشرية حول يزرع التالية اختبار الميكانيكية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

نموذج اختبار الميكانيكية المقدمة هنا يوفر طريقة محسنة لتقييم رسو العظام على الأسطح زرع مرشح، لأنه يسمح للدقيقة متعامدة، أو متوازية، والمحاذاة من عينة الاختبار مع محور القوة تعطل تطبيق، ويحد منطقة الكسر ل في غضون نصف ملليمتر من سطح الزرع. أدرج نموذج بسهولة في الدراسات التي تقارن فعالية أي مجموعة من كيميائيا أو ميكانيكيا، السطوح تعديل، ولكن ليست مناسبة لالأسطح الملساء كما يتم فصل هذه العظام بسهولة من خلال عينة التلاعب. يزرع يمكن تصنيعها من مجموعة واسعة من المواد الحيوية. يتم جمع البيانات بسهولة و، شريطة أن يتم معايرة جهاز الفحص الميكانيكي بشكل صحيح، تتطلب الحد الأدنى من التصفية. جداول زمنية مختلفة يمكن استخدامها لتقييم أداء الميكانيكية في مراحل مختلفة من الشفاء. وعلاوة على ذلك، يمكن بسهولة أن تستخدم النموذج في النماذج الحيوانية من الأمراض التي تصيب البشر أن ل compromise التئام العظام بما في ذلك، على سبيل المثال، مرض السكري، والعلاج الإشعاعي، وأمراض المناعة الذاتية.

وقد تم تصميم نموذج للفئران ويستار الذكور، على الرغم من سلالات أخرى يمكن بسهولة أن تستخدم. والهيكل العظمي من الفئران، ولا سيما عظم الفخذ، في حين صغيرة، قادرة على تحمل الأحمال الإسعافية الطبيعي بعد تلقي زرع العرف، وشفائهم بعد العملية هو سريع. نظرا لهندستها البسيطة المستخدمة، وتصميم سهلة لرفع مستوى لنماذج حيوانية أكبر. في حين أنه من الممكن إجراء عملية مماثلة في الفئران، وأفخاذ؛ فخذان هي أصغر بكثير، الأمر الذي يتطلب استخدام غرسات صغيرة وتحديات في التعامل مع لاختبار التعطيل.

ونحن قد استخدمت سابقا صيغة أبسط من هذا النموذج في الدراسات التي تركز على الآليات البيولوجية التي تحدث خلال نقاط الشفاء في وقت مبكر، واستخدمت 9 يوم بعد الجراحة الوقت نقطة، استخدمنا نفس الوقت نقطة هنا. ومع ذلك، وهذا تيمه يمكن تغيير الفترة اعتمادا على تصميم الدراسة، ونقطة زمنية متعددة يمكن أن تظهر تطور هذه الظاهرة مع مرور الوقت مرسى في الجسم الحي.

خلال تطوير هذا النموذج، تم استكشاف العديد من إيبوكسى والأسمنت علاج سريع، وكثير منها غير ملائمة بسبب التفاعلات الطاردة للحرارة، والتوسع المفرط، "فتل" من الحل غير مخمر من خلال العظام تربيقي، والأوقات علاج اختلافا كبيرا. مركب الأسنان flowable اختار لديه الحد الأدنى من التوسع (حوالي 2٪)، تشفي بسرعة تحت ضوء التصلب، ويسلك الحد الأدنى فتل. بالإضافة إلى ذلك، المركب يسلك أية خصائص طاردة للحرارة. يمكن تغيير هذه المادة بدلا من المواد المتاحة، وإنما هو من الأهمية الحاسمة لاختبار صارم وكيل بوتينغ قبل البدء في المشروع.

هذه الطريقة تعطي بيانات النشاط الحيوي نسبية قيمة بوصفها وظيفة من تصميم سطح زرع مرشح. الميزة الرئيسية لهذا ايمطريقة ثبت في الحد من انقطاع (كسر) الطائرة لأول 0.5 مم من سطح الزرع، حيث يتم تشكيل العظام تعويضية. فهو يختلف عن أساليب أخرى حيث كسر لا يقتصر على منطقة شبه الزرع. وبالتالي، فإن الطريقة المعروضة، كما هو موضح أعلاه، يعزل بدقة شبه زرع المنطقة المحددة - وهي المنطقة التي تنسجم في جميع العينات - بينما مواءمة أيضا عينة من هذا القبيل أن القوة المطبقة أمر طبيعي تماما لسطح الزرع، والقضاء على أي تحيز بسبب إلى اختلالها. هذا مهم بشكل خاص إذا كان أحد يريد مراقبة نضوج العظام شبه زرع مع مرور الوقت. ومع ذلك، ينبغي التأكيد على أن الاختبار لا يقدم معلومات النشاط الحيوي على الواجهة الحقيقية العظام / زرع نفسها، لأنه ليس هناك كبير العظام المتبقية على السطح بعد الاختبار.

سابقا، وقد استخدمنا صيغة أبسط من هذا الأسلوب لتحديد قدرة تضاريس سطح لتقديم تيتاnium السطوح العظام الترابط 14، وكذلك في الأعمال الأخيرة لتحديد أهمية بيولوجية من درجات متفاوتة من التعقيد الطوبوغرافية بوصفها وظيفة من الوقت الشفاء 12. في حين أن اختبار بسيط هو أسرع من ذلك الواردة في هذه الوثيقة، ويتطلب أي جهاز بوتينغ مصمم خصيصا، وهناك تباين كبير في موقع الطائرة الكسر. بالإضافة إلى ذلك، الأسلوب أيضا يسمح لأحد أن يتصور الدورية للاختبار العينة 90 درجة، بحيث يتم محاذاة زرع عموديا على أداة اختبار الميكانيكية. في هذا التكوين فمن الممكن لإجراء اختبار القص مع نفس الإعداد التجريبية - نهجا غير ممكن مع أساليب أخرى.

ومع ذلك، هناك العديد من العوائق العملية التي تمثل القيود. كما عينات الاختبار صغيرة، يمكن أن يكون لمحاذاة العينة بشكل مناسب في قالب خلال بوتينغ النسبي لأساليب أخرى تستغرق وقتا طويلا. علاوة على ذلك، بمجرد بوعاء العينة، فإنه يمكن أن يكونمن الصعب تأكيد، بالعين المجردة، ومنطقة شبه زرع وجه الدقة، وبالتالي قد يكون من المفيد استخدام عدسة مكبرة، أو حلقة صائغ لتصور أدق لمنطقة شبه الزرع. أخيرا، لا بد من القيام به الأسلوب بطريقة يتجنب فتل من مركب flowable من خلال ترابيق تعويضية يتعرض في المنطقة شبه الزرع. أخيرا، كنا خلية 1،000 N الحمل حيث أن هذه هي المعدات المتوفرة لدينا، ولكن خلية الحمل أصغر، في نطاق 50-100 N، سيكون أكثر ملاءمة للاختبارات في المستقبل، والسماح لمزيد من القرار، والدقة في بيانات الاختبار.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

تلقى التمويل من الكتاب ومواد الدعم من BIOMET 3I (بالم بيتش غاردنز، فلوريدا، الولايات المتحدة الأمريكية). كان BIOMET 3I أي جزء في كتابة هذه المخطوطة أو تصميم التجارب وصفها.

Acknowledgments

فإن الكتاب أود أن أشكر BIOMET 3I مواصلة تقديم الدعم المالي لها، وعلى وجه الخصوص راندي غودمان للمساعدة في تصميم وتصنيع الأجزاء المخصصة. سبنسر بيل هي المستفيدة من المنح الدراسية للدراسات العليا الصناعية، التي تقدمها العلوم الوطنية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC). نود أيضا أن نشكر الدكتور جون Brunski لله تواصلك جدا أثناء إعداد المخطوطة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Dulbecco’s Phosphate Buffer solution (DPBS) Gibco Life Technologies, Burlington, ON, Canada 14190-250
10% neutral buffered formalin solution Sigma-Aldrich Co. LLC., Canada HT501128-4L
Custom-designed rectangular implants (commercially pure titanium; dimensions: 4mm x 2.5mm x 1.3mm with a 0.7mm hole drilled centrally down the long axis) Biomet 3i, FL, USA N/A
Custom-designed breakaway mould Biomet 3i, FL, USA N/A
Isoflurane Baxter Internationl Inc. N/A
Buprenorphine Bedford Laboratories N/A
10% betadine Bruce Medical, MA, US FR-2200-90
Scalpel Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada 2586-M36-0100
Scalpel blade #15 (sterile) Magna, Medstore, University of Toronto, Canada 2586
Periosteal elevator #24G Spectrum Surgical, OH, USA EX7
Forceps Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada 7747-A10-108
Tissue forceps Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada 7722-A10-308
Scissors Almedic, Medstore, University of Toronto 7603-A8-240
Absorbant Fabric General Purpose Drape (sterile) Vitality Medical 1089
Gauze (non-sterile) VWR 89133-260
Needles 25G X 5/8" (disposable) BD, Canada 305122
Syringes (sterile) VWR, Canada CABD309653
Needle Driver Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada A17-132
Dynarex Surgical gloves (sterile) Amazon.com 2475
Surgical masks Fisherbrand, Medstore, University of Toronto, Canada 296360759
0.9% sterile saline House brand, Medstore, University of Toronto, Canada 1011-L8001
Hair clippers Remington, US N/A
4-0 Polysorb Syneture SL5627G
9mm Wound Clips Becton Dickinson, MD, USA 427631
ImplantMED DU 900 and WS-75 dental hand piece  W&H Dentalwerk, Austria DU1000US
1.3 mm twist drill Brasseler, GA, USA 203.21.013
1.3 mm dental burr  Biomet 3i, FL, USA custom
1.2 mm cylindrical side-cutting burr Biomet 3i, FL, USA custom
Cylindrical diamond burr Brasseler, GA, USA H1.21.014
High speed dental drilling system Handpiece: KaVo Dental Corporation, IL, USA N/A
Handpiece Control: DCI International, OR, USA
99.5% Ultra Pure sucrose BioShop Canada Inc., Burlington, ON, Canada 57-50-1
Flowable dental composite Filtek Supreme Ultra Flowable Restorative, 3M ESPE, St Paul, Minnesota, USA 6033XW
Sapphire Plasma Arc high intensity curing light Den-Mat Holdings, Santa Maria, CA, USA N/A
Instron 4301 with 1000 N load cell Instron, Norwood, MA, USA N/A
Leica Wild M3Z Stereozoom dissecting microscope Leica, Heerbrugg, Switzerland N/A
QImaging Micropublisher 5.0 RTV digital camera coupled with QCapture 2.90.1 acquisition software QImaging, Surrey, BC, Canada N/A
Electronic digital caliper  Fred V. Fowler Company, Inc., Newton, MA, USA N/A
Mechanical testing instrument Instron, Norwood, MA, USA N/A

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brunski, J. B. In vivo bone response to biomechanical loading at the bone-dental implant interface. Adv. Dental Res. 13, 99-119 (1999).
  2. Brunski, J. B., Glantz, P. -O., Helms, J. A., Nanci, A. Transfer of mechanical load across the interface. In: The Osseointegration Book. Brånemark, P. I., Chien, S., Gröndahl, H. G., Robinson, K. , 209-249 (2005).
  3. Brånemark, R., Ohrnell, L. O., Nilsson, P., Thomsen, P. Biomechanical characterization of osseointegration during healing: an experimental in vivo study in the rat. Biomaterials. 18 (14), 969-978 (1997).
  4. Itälä, A., Koort, J., Ylänen, H. O., Hupa, M., Aro, H. T. Biologic significance of surface microroughing in bone incorporation of porous bioactive glass implants. J. Biomed. Mater. Res. A. 67 (2), 496-503 (2003).
  5. Brånemark, R., Emanuelsson, L., Palmquist, A., Thomsen, P. Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium surface features. Nanomedicine. 7 (2), 220-227 (2011).
  6. Kato, H., et al. Bonding of Alkali- and Heat-Treated Tantalum Implants to Bone. J. Biomed. Mater. Res. 53, 28-35 (2000).
  7. Hong, L., Xu, H. C., de Groot, K. Tensile strength of the interface between hydroxyapatite and bone. J. Biomed. Mater. 26 (1), 7-18 (1992).
  8. Currey, J. D. Mechanical properties of bone tissues with greatly different functions. J. Biomech. 9 (12), 313-319 (1979).
  9. Nakamura, T., Yamamuro, T., Higashi, S., Kokubo, T., Itoo, S. A new glass-ceramic for bone replacement: evaluation of its bonding to bone tissue. J. Biomed. Mater. Res. 19 (6), 685-698 (1985).
  10. Hench, L. L., Splinter, R. J., Allen, W. C., Greenlee, T. K. Bonding mechanisms at the interface of ceramic prosthetic materials. J. Biomed. Mater. Res. Symp. 1, 117-141 (1972).
  11. Edwards, J. T., Brunski, J. B., Higuchi, H. W. Mechanical and morphologic investigation of the tensile strength of a bone-hydroxyapatite interface. J. Biomed. Mater. Res. 36 (4), 454-468 (1997).
  12. Davies, J. E., Ajami, E., Moineddin, R., Mendes, V. C. The roles of different scale ranges of surface implant topography on the stability of the bone/implant interface. Biomaterials. 34, 3535-3546 (2013).
  13. Rønold, H. J., Lyngstadaasb, S. P., Ellingsen, J. E. Analysing the optimal value for titanium implant roughness in bone attachment using a tensile test. Biomaterials. 24, 4559-4564 (2003).
  14. Mendes, V. C., Moineddin, R., Davies, J. E. The effect of discrete calcium phosphate nanocrystals on bone-bonding to titanium surfaces. Biomaterials. 28 (32), 4748-4755 (2007).
  15. Skedros, J. G., Holmes, J. L., Vajda, E. G., Bloebaum, R. D. Cement lines of secondary osteons in human bone are not mineral deficient: new data in a historical perspective. Anat Rec. 286, 781-803 (2005).
  16. McKee, M. D., Nanci, A. Osteopontin and the bone remodelling sequence: colloidal-gold immunocytochemistry of an interfacial extracellular matrix protein. Ann. N.Y. Acad. Sci. 760, 177-189 (1995).
  17. Davies, J. E., Hosseini, M. M. Histodynamics of endosseous wound healing In: Bone Engineering. Davies, J. E. , Em Squared Inc. Toronto. 1-14 (2000).
  18. Welsh, R. P., Pilliar, R. M., Macnab, I. Surgical implants. The role of surface porosity in fixation to bone and acrylic. J. Bone Joint Surg. Am. 53 (5), 963-977 (1971).
  19. O'Brien, F. J., Taylor, D., Clive, L. T. The effect of bone microstructure on the initiation and growth of microcracks. J. Orthop. Res. 23 (2), 475-480 (2005).
  20. Steflik,, et al. Ultrastructural analyses of the attachment (bonding) zone between bone and implanted biomaterials. J. Biomed. Mater. Res. 39 (4), 611-620 (1998).
  21. Sul, Y. -T., Johansson, C., Albrektsson, T. A novel in vivo method for quantifying the interfacial biochemical bond strength of bone implants. J. Royal Soc. 7 (42), 81-90 (2010).
  22. Wong, M., et al. Effect of surface topography on the osseointegration of implant materials in trabecular bone. J. Biomed. Mater. Res. 29 (12), 1567-1575 (1995).
  23. Gotfredsen, K., et al. Anchorage of titanium implants with different surface characteristics: an experimental study in rabbits. Clin. Implant Dent. Relat. Res. 2 (3), 120-128 (2000).
  24. Lekholm, U., Zarb, G. A., Albrektsson, T. Patient selection and preparation. In: Tissue integrated prostheses. , Quintessence Publishing Co. Inc. Chicago. 199-209 (1985).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 84، واختبار الميكانيكية، مرسى العظام، واختبار اضطراب، تضاريس السطح والعظام شبه الزرع، واجهة العظام الزرع، العظم الترابط، microtopography، nanotopography
لتحسين طرق الاختبارات الميكانيكية لتقييم العظم زرع مرسى
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bell, S., Ajami, E., Davies, J. E.… More

Bell, S., Ajami, E., Davies, J. E. An Improved Mechanical Testing Method to Assess Bone-implant Anchorage. J. Vis. Exp. (84), e51221, doi:10.3791/51221 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter