一种改进的机械性能测试方法来评估骨种植体支抗

摘要

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。

摘要

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。

引言

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，由测量技术的分辨率由Ronald 等人 ¹³但是所讨论的限制，通过Brunski 等 ^2，作为评论时的植入物的标称表面积是考虑到，在"抗拉强度"与不同的植入物表面的设计相关联的显着的差异被否定，表明植入物表面具有较高的表面面积提供更大的骨/植入物的接触面积，因此需要更大的力来破碎模型。因此，其含义是，地形更复杂的表面可以增加接触成骨，这会导致更大的骨植入物接触（BIC）和由此产生机械测试更高的中断值。接触成骨是两个不同的现象的产品:骨传导和骨形成。事实上，我们已经表明，增加了骨传导的形貌售货机，ically复杂的表面，可以通过测量所得到的BIC ¹⁴进行量化，并且这种表面也导致较高的机械破碎值^12。

然而，这是有益的是要注意，种植体周围骨可以通过两种机制形成。在间充质起源的接触成骨细胞迁移到植入物表面（骨传导），分化成骨细胞，并阐述从头骨基质在植入物表面（骨形成）。阐述了第一骨基质是在正常骨重塑看到¹⁵矿化水泥线（有很多混乱有关该生物矿化结构，有时被认为是未矿化¹或一种融合在骨¹⁶的所有接口的文献-有关此主题的完整讨论，请参阅戴维斯和侯赛尼^17）。联系成骨是骨的现象的一个重要的先决条件接的，但不必要的是对于骨向内生长^18。骨的矿化水泥线机械骨骼比¹⁹的矿化胶原舱弱。因此，直观地，如果水泥线矩阵与植入物的纳米特征的交错结合与骨组织生长到植入件的宏观特征相比较，然后破坏前所需的机械力会合理地，可以预料到小于后者，并且我们最近已证明了这一点实验^12。

种植体周围骨也可以通过距离成骨形成。在这种情况下，骨沉积在旧骨表面并得到逐步接近导致包含无定形基质和成骨细胞²⁰的遗体的接口的植入物表面。一般情况下，距离成骨与光滑，或加工，骨内种植体表面有关，常见于皮质骨的愈合，而microtopographicaLLY复杂曲面与骨的接触是比较典型的骨小梁愈合有关。使用光滑的植入物表面和皮质骨愈合拉伸试验模型已经能够测试此无定形生物基体与地形复杂表面相关联的接触成骨缺失的粘接性能，并且已经表明，发生所谓的"生物化学"接合提供了一个报告与地形复杂的曲面²¹的"拉伸强度"值较小的组成部分。与此相反，采用了小梁骨愈合模型中，Wong 等人 ²²表明植入物表面粗糙度和推出故障负载之间"良好的相关性"，并表示化学键合确实起到了骨锚的作用微乎其微到植入物表面。虽然有可能出现两个接触和距离成骨发生，在不同程度上，在所有的骨内围implaNT愈合车厢，microtopographically复杂的表面已经表明自己是特别有利的小梁骨性愈合舱^23。后者在牙科文献²⁴列为III级或IV级骨。

我们的目的是要着眼于接触成骨的机制和产生的骨/种植体支抗可在骨小梁愈合环境随之发生。这锚地，这是依赖于植入物表面的形貌（参见上文），可以发生在不同的尺度范围。一方面，只有亚微米植入物的特点有牵连的骨接合 - 所描述的骨水泥线矩阵与这样的表面的交错结合，并看到了生物活性玻璃，陶瓷和网状金属氧化物。另一方面，骨组织（有时完全与血液的血管）可发育成多微米，或宏观尺度，植入物的表面特征^18。这两种情况下水库ULT在骨锚固到植入物表面的一种形式，虽然机制明显不同。然而，大多数的上面引用的机械测试方法的通病是使在一个完全垂直或平行的平面上的干扰力，以使植入物表面的（取决于拉伸或剪切模式是否被采用）。我们在此报告来克服这种限制的方法。

方案

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。

2。动物模型和手术过程

1. 用年轻的雄性Wistar大鼠（200-250 g）关于这种模式。所有的程序必须由当地动物保健COM批准mittees。让动物自由饮水和大鼠饲料。
   注:Wistar大鼠被选定为这个过程由于与这株鼠以往的经验，虽然大鼠的其他菌株可以采用。获取食物和水可以被改变，这取决于正在解决实验问题的性质。


2. 采用吸入麻醉通过鼻锥稳重给予大鼠:1路₂ /分钟的诱导4％异氟醚，在1升一氧化二氮和0.6 LO ₂ /分钟的维修2％异氟醚。开展标准的脚趾捏测试，以确保有效镇静的程序，然后再继续。
3. 施用镇痛前和手术后通过皮下注射0.01-0.05毫克/公斤丁丙诺啡。
4. 通过部分随机分配植入物和放置在双侧股骨大鼠的远端干骺端。这使得不同的植入物，分别从选择不同表面形貌的被比较D，在对侧股骨，优化统计分析。
5. 剃须和清洁每个后腿用10％聚维酮碘的安特罗外侧方面准备的动物。为了防止低温，放置一个温水循环垫麻醉大鼠下方。
6. 用＃15的外科手术刀，通过沿大腿露出肌肉的外侧面的皮肤做一个切口。使用钝性分离偏转肌肉组织中一种微创的方式暴露股骨远端。
7. 刮掉薄薄的一层骨膜覆盖股骨，用骨膜，充分暴露骨皮质钻孔。必须小心，在钝器解剖和切除骨膜不要损坏膝关节的生长板或关节软骨。
8. 一旦清洁和检查，旋转股骨横向暴露股骨远端（ 图3A）的前方面。
9. 为了准备手术部位，钻双皮质矩形槽下骨的同时通过皮层中间。为了避免过热组织，生理盐水冲洗，必须保持整个钻探手术助理。进行钻孔在三个阶段:
   1. 首先，钻透前皮层，通过解剖暴露的，使用连接到牙科手持件，以创建两个孔2.5毫米沿着中间的股骨线相距1.3毫米的牙科毛刺。
   2. 接下来，使用第二个钻头（扭1.3毫米牙科毛刺），通过对方皮质这些孔扩大，导致双皮质平行孔。
   3. 最后，加入用在近端-远端方向上的第三定制侧切削毛刺，形成现场为植入物（ 图3B）中的孔。
10. 通过使用附加的针的骨缺损通过一个可生物降解的缝合线，并返回周围的股骨外皮质。
11. 主题植入物在缝合线的自由端并将其引导到缺陷，瓦特这里应该是压入式。在这种方式中，植入物的长轴应取向垂直于股骨（ 图3C）的长轴。
12. 配合围绕股骨外侧面的缝合手术后的恢复和愈合的早期阶段过程中提供植入物的稳定性。使用剩余的缝合关闭肌肉组织，并用手术钉（9毫米伤口剪辑）reoppose的皮肤组织。
13. 检查手术部位感染的迹象，和日常监测动物受损的动态能力。排除不完全恢复行走的动物，或者是那些股骨骨折的牺牲，从分析中。

3。样品采集

1. 牺牲在动物后第9天，手术后由CO ₂的曝光颈椎脱位。
2. 牺牲后，分离股骨和干净的软组织。在15％蔗糖缓冲溶液立即保存，以保持活体组织Hydration在准备机械测试（ 图4A）。
   注:样品被存储在缓冲蔗糖溶液至设施之间的运输期间保持组织水合。标本将准备机械测试期间投入约2-3小时的解决方案。


3. 以制备试样的力学性能测试，修剪骨到使用连接到一个高速系统的圆柱形金刚石毛刺的植入物的宽度。最终的试验样品包括骨的两个拱连接到植入物（ 图4B）的各个面。对于准备或运输过程中脱落的拱门，分配为0牛顿的力学性能测试值
   注:修剪样品时要非常轻柔，准确，以免损坏或预应力接口是非常重要的。骨修复性愈伤组织可以围绕所述植入物的长轴和连到纵向孔生长。这样多余的骨骼必须由三被删除mming试样的矩形植入物的精确的尺寸，因为它可以歪斜力学测试的结果。

4。机械性能测试

自定义脱离模具的设计到锅内每个标本，建立准备样品力学性能试验的重复性和准确的方法。在设计允许种植体周围骨一致的测试区的0.5mm的区域的隔离，同时保持在制陶过程为中心的样品和完全水平的，直接垂直于种植体表面允许的的力​​的应用。参见图5为完整的工程图和图6为最终部件。

注:所有行为使用机械测试装置中，以30毫米/分钟的十字头速度操作的测试。对于剩余骨下列测试定性评估，在解剖显微镜可以使用。

1. 灌封该标本和机械测试的
   1. 从蔗糖缓冲液，轻轻吸干取出标本。
   2. 位置标本在定制模具。水平地通过在模具的壁上的孔，并通过在植入物的中间的孔滑动销。放置在模具上的后侧稳定板，以稳定植入物（ 图7）。
   3. 该模具的底部具有可流动的牙科用复合填充并使用高强度的固化的光固化60秒。
      注意:选择不设置放热反应的合成，所产生的热量，例如可能影响组织性质是很重要的。
   4. 固化后，打开模具，取出硬化标本块。画一条细细的黑线在永久性标记上用于识别目的的横向拱。
   5. 固定在一个副试样的预制复制品，并居中机械测试仪的基座上的单元。
   6. 使试样成副，并通过孔的植入（ 图8）通过一个尼龙线。附加的松散端向移动横梁的中央。为了保持一致性，始终标签和第一个测试的侧面。与内侧足弓重复上述过程。

结果

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）。

讨论

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。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
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