一种改进的机械性能测试方法来评估骨种植体支抗

Summary

一种改进的方法以机械测试的骨锚定到候选种植体表面呈现。这种方法精确地垂直或平行，以在植入物表面的平面中允许的干扰力的对准，并提供​​了一​​个准确的方法，可直接进行干扰力为确切的种植体周围区域。

Abstract

在材料科学的最新进展已经导致大幅增加种植体表面地形的复杂性，无论是在微观和纳米级。作为描述种植体表面，例如，传统的方法-表面粗糙度，即数值决定因素-是不够的体内性能预测。生物力学测试提供了一个准确和比较平台来分析生物材料表面的性能。一种改进的机械测试方法测试骨锚固候选种植体表面呈现。该方法适用于愈合的早期和晚期阶段，并且可以被用于化学或机械改性的表面的​​任何范围 - 但不是光滑的表面。自定义的矩形植入物在雄性Wistar大鼠的远侧股骨双侧放置并与周围的骨收集。试样制作和使用一种新的分离模具和破坏盆栽测试是使用机械试验机进行的。这种方法精确地垂直或平行，以在植入物表面的平面中允许的干扰力的对准，并提供​​了用于分离一个确切的种植体周围区域进行检测的精确和可重复的方法。

Introduction

评估骨锚固到骨内种植体表面一直相当关注的焦点，为此，许多机械测试方法已经被描述^1,2。所有这些方法施加一个力，破坏正在使用的骨/种植体模型，大致可分为剪，一般表现为外推式或拉式模型^3,4，反向扭矩^3,5，和拉伸类型^{6， 7。}通常在这样的测试中，无论是骨⁸或植入材料（在脆性玻璃和陶瓷^9,10的情况下）被破碎，假设某种形式的锚固的发生，骨/植入物界面保持不变（至少部分地）保持不变。这样的实验的结果的意思是不仅使模型的断裂（或中断）所需的力是不分开的骨/植入物界面^11,12所需的力，而且还使产生的裂缝平面内的复杂的表面积可以是难治精确的测量。然而，这种测试可以是临床相关的，因为它们提供的别共面的设计植入到被固定在骨能力的比较标尺。然而，还应当指出，这种比较是唯一有效的范围内的实验模型，而实验模型之间的比较是充满着困难，因为研究人员使用不同种类的动物表现出无论是片状或编织骨;小梁或皮质骨愈合模型和不同的机械测试几何形状和条件。

在努力获得的骨/植入物界面的拉伸强度的测定，许多研究者已经使用的植入物的公称表面积而得出一个"拉伸强度"值，因为抗张强度被测量为每单位面积上的力。这显然​​是给定的，如上面所解释的一个近似值，该骨/植入物界面在许多破坏试验采用保持完好编辑。除了 ​​测量植入物，特别是复杂的地形表面的表面区域中，由测量技术的分....

Protocol

1。植入物的设计，制造及表面处理

1. 从工业纯钛（CPTI）;（长x宽x高尺寸4毫米×2.5毫米×1.3毫米）制造长方形的植入物。钻一个孔中央下来的植入物（直径为0.7mm）的长轴手术部位和随后的机械测试（ 图1）内以便尽早植入物的稳定性。
2. 处理所述植入物的上表面和下表面。
   1. 要创建两个不同的面，使用标准的喷砂（GB）的治疗，以创建一个microtopographically复杂的表面。通过叠加磷酸钙（CAP）进一步修改一半的植入物的纳米粒子来创建一个nanotopographically复杂的表面。

注意:不同的化学或机械处理可以应用到产生所需的表面形貌和/或化学物质，这些将取决于实验questi的性质上加以解决。在本文提供的例子中，一组纯钛（CPTI）种植体经喷砂（GB） - 扣除方法 - 创建一个复杂的微观形貌。植入物的一半，然后再通过添加磷酸钙（CAP）纳米晶体的修改，以创建一个超级施加纳米形貌（GB-DCD）。

注意:当观看喷砂微面相比，改性后的纳米表面，在10,000倍的放大倍率，有在表面特性无明显差异。然而，在100,000 X放大率观察时，差异变得非常明显（ 图2）。先前已表明，这样的表面变化不会对骨传导¹⁴产生深远的影响。

Results

所有的动物下手术的恢复随时间增加他们的活动能力。这很重要，因为负荷对不同的量程范围地形差异的影响，因为我们最近报道^12。对试样以下机械试验的代表性力/位移曲线是在图9A，并为每个种植体表面的平均数据列于图9B。由每个试样达到最大力量值，记录和组值平均值进行比较（每组n = 28）。在GB-DCD的表面上，叠加在底层microtopographically复杂曲面亚微米地形特点，有比未改性GB的微面（P <0.0001）（ 图9B）显著高于干扰力值。

下面的力学性能测试，它可以被观察到的标本的目标范围内骨折92％编种植体周围区域（ 图10）。

Discussion

此处提供可进行试验力模型提供一种改进性方法评价骨锚地到候选人种植体表面的，容许进行精确垂线或是并联随着applied disruption力轴试样协调一致，骨折区极限到内植入物表面的半毫米。该模型是容易纳入比较的化学或机械方式，修饰的表面的任何范围的有效性的研究，但不适合于光滑表面，因为这些都是从骨标本处理过程中容易脱落。该植入物可以从范围广泛的生物材料来制造。数据很容易被收集并，提供的机械测试设备被正确校准，只需最少的过滤。不同的时间线可用于在愈合的不同阶段来评估机械性能。此外，该模型可以容易地在人类疾病COMPR的动物模型中采用omise骨愈合，包括例如，糖尿病，放射治疗，和自身免疫性疾病。

该模型已被设计为只雄性Wistar大鼠，尽管其它菌株可以很容易地被采用。大鼠的骨骼构造，特别是股骨，虽然不多，能够接收所述自定义植入后承受正常的动态负载，以及它们的手术后的恢复是快速的。由于使用了简单的几何形状，设计很容易扩展为较大的动物模型。虽然可以进行在小鼠类似的操作中，股骨是显著较小，这就需要使用更小的植入物，并提出了在处理的中断测试的挑战。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
杜尔贝科s 磷酸盐缓冲溶液 （DPBS）	Gibco Life Technologies，伯灵顿，安大略省，加拿大	14190-250
10% 中性缓冲福尔马林溶液	Sigma-Aldrich Co. LLC.，加拿大	HT501128-4L
定制设计的矩形植入物（商业纯钛;尺寸：4 毫米 x 2.5 毫米 x 1.3 毫米，沿长轴中心钻一个 0.7 毫米的孔）	Biomet 3i，佛罗里达州，美国	N/A
定制设计的拉断模具	Biomet 3i， FL， USA	N/A
异氟醚	Baxter Internationl Inc.	N/A
丁丙诺啡	Bedford Laboratories	N/A
10% 优碘	Bruce Medical，马萨诸塞州，美国	FR-2200-90
手术刀	Almedic，Medstore，多伦多大学，加拿大	2586-M36-0100
手术刀刀片 #15（无菌）	Magna，Medstore，多伦多大学，加拿大	2586
骨膜电梯 #24G	Spectrum Surgical，俄亥俄州，美国	EX7
镊子	Almedic，Medstore，多伦多大学，加拿大	7747-A10-108
组织镊子	Almedic，Medstore，多伦多大学	7722-A10-308
剪刀	Almedic，Medstore，多伦多大学	7603-A8-240
吸收剂织物通用窗帘（无菌）活力	医用	1089
纱布（非无菌）	VWR	89133-260
针头 25G X 5/8"（一次性）	BD，加拿大	305122
注射器（无菌）	VWR，加拿大	CABD309653
针头驱动器	Almedic，Medstore，多伦多大学，加拿大	A17-132
Dynarex 手术手套（无菌）	Amazon.com	2475
外科口罩	Fisherbrand， Medstore， 多伦多大学，	加拿大 296360759
0.9% 无菌盐水	自有品牌， Medstore， 多伦多大学，	加拿大 1011-L8001
理发器	雷明顿， 美国	N/A
4-0 Polysorb	Syneture	SL5627G
9mm 伤口夹	美国医学博士 Becton Dickinson	427631
ImplantMED DU 900 和 WS-75 牙科手机	W&H Dentalwerk， 奥地利	DU1000US
1.3 毫米麻花钻	Brasseler， GA， USA	203.21.013
1.3 毫米牙科毛刺	Biomet 3i，佛罗里达州，美国	定制
1.2 毫米圆柱形侧切毛刺	Biomet 3i，佛罗里达州，美国	定制
圆柱形金刚石毛刺	Brasseler，GA，USA	H1.21.014
高速牙科钻孔系统	手机：KaVo Dental Corporation，伊利诺伊州，美国	N/A
手机控制：DCI International，俄勒冈州，美国
99.5% 超纯蔗糖	BioShop Canada Inc.，伯灵顿，安大略省，加拿大	57-50-1
可流动牙科复合材料	Filtek Supreme 超可流动修复剂，3M ESPE，美国明尼苏达州圣保罗	6033XW
蓝宝石等离子弧高强度固化光	Den-Mat Holdings，美国加利福尼亚州圣玛丽亚	N/A
Instron 4301，带 1000 N 称重传感器	Instron，美国马萨诸塞州诺伍德	N/A
Leica Wild M3Z 立体变焦解剖显微镜	Leica， Heerbrugg， Switzerland	N/A
QImaging Micropublisher 5.0 RTV 数码相机与 QCapture 2.90.1 采集软件相结合	QImaging， Surrey， BC， Canada	N/A
电子数码卡尺	Fred V. Fowler Company， Inc.， Newton， MA， USA	N/A
机械测试仪器	Instron， Norwood， MA， USA	N/A