本文介绍了一种在兔子中进行的外科手术方案,旨在评估骨替代材料在骨再生能力方面的性能。通过将聚醚醚酮(PEEK)圆柱体固定在兔颅骨上,可在活体或安乐死动物中评估材料所诱导的成骨传导、成骨诱导、成骨生成以及血管生成作用。
方法文章
本文介绍了一种在兔子中进行的外科手术方案,旨在评估骨替代材料在骨再生能力方面的性能。通过将聚醚醚酮(PEEK)圆柱体固定在兔颅骨上,可在活体或安乐死动物中评估材料所诱导的成骨传导、成骨诱导、成骨生成以及血管生成作用。
兔颅骨模型的基本原理是在颅骨皮质部分的上方垂直生长新骨组织。该模型可用于评估骨替代材料在口腔和颅面骨再生方面对骨生长和新生血管形成的支持作用。动物麻醉并进行通气(经气管插管)后,将四个由聚醚醚酮(PEEK)制成的圆柱体分别固定于颅骨上,位于矢状缝和冠状缝两侧。在每个圆柱体所限定的骨区域内钻五个髓内孔,以允许骨髓细胞流入。将待测材料样本置入圆柱体内,随后封闭圆柱体。最后缝合手术部位,使动物苏醒。可通过显微CT对活体动物进行骨生长的评估。动物安乐死后,可利用显微CT、免疫组织化学和免疫荧光技术进一步评估骨生长及新生血管形成情况。由于材料评估需要最大程度的标准化与校准,颅骨模型显得尤为理想。该模型操作简便,使用定义明确的圆柱体有助于实现校准与标准化,并可同时评估四个样本。此外,可对活体动物进行连续断层扫描,从而有望显著减少需安乐死的动物数量。
颅骨骨增量模型于20世纪90年代建立,旨在优化口腔及颅面外科领域内的引导性骨再生(GBR)概念。该模型的基本原理是在颅骨的皮质骨部分上方垂直生长新的骨组织。为此,将一个反应器(例如钛制穹顶、圆柱或笼状结构)固定于颅骨上,以保护由移植物(如水凝胶、骨替代材料等)介导的骨再生过程。借助该模型,研究人员已对钛或陶瓷笼1,2,3,4,5,6、GBR膜7,8,9,10、成骨因子11,12,13,14,15,16,17、新型骨替代材料12,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,以及骨再生过程中新生血管化的机制30进行了评估。
从转化医学的角度来看,颅骨模型代表了一种单壁缺损,可与颌骨的IV类缺损相比较31。该模型的目标是在皮质骨区域上方生成新骨,且无内源性骨壁提供的侧向支撑。因此,该模型极为严格,能够评估在骨皮质部分实现垂直骨传导的真实潜力。尽管本文所述模型主要用于评估骨替代材料的骨传导性,但也可用于评估成骨作用和/或骨诱导作用,以及血管生成能力1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30。
出于伦理、实际和经济方面的考虑,兔颅骨模型被开发出来,因为兔的骨代谢和骨结构与人类具有较高的相关性32。上述引用的30篇文献中,80%采用了兔颅骨模型1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,17,22,23,26,27,28,29,30,33,从而证明了该动物模型的重要性。2008年,Busenlechner 研究组将颅骨模型转移至猪,以实现同时比较八种骨替代材料20(相比之下,兔模型仅能比较两种骨替代材料)。另一方面,我们的研究组则将兔颅骨模型应用于绵羊。简而言之,将钛制穹顶置于绵羊颅骨上,用于表征一种新型3D打印骨替代材料的骨引导性能。这些研究使我们得以开发并掌握颅骨模型及其分析方法16,21。
最近引用的三项研究16,20,21,以及另外多项研究12,17,18,19,22,23,24,26,27,28,29,共同证实了颅骨模型作为筛选和表征模型的巨大潜力。然而,尽管所获得的结果相当令人满意,这些研究也指出了某些局限性:(1)使用了钛制穹顶,阻碍了X射线的穿透,从而无法进行活体微计算机断层扫描(micro-CT)检测。由于组织学处理前无法移除钛制穹顶,研究人员被迫将样本包埋于聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)中,导致后续分析在很大程度上仅限于表面形貌观察。(2)高昂的经济成本,尤其是动物本身的费用,以及与动物运输、饲养和手术相关的成本。(3)在大型动物实验中获得伦理审批存在困难。
Polo 等人最近的一项研究26在兔模型上进行了大幅改进。用可闭合的圆柱体替代了钛制穹顶,该圆柱体可填充固定体积的材料。将四个此类圆柱体置于兔颅骨上。实验结束后,可移除圆柱体,使活检样本不含金属,从而在样本处理方面提供了更大的灵活性。兔颅骨模型因此成为一种具有吸引力的模型,可用于同步测试,且成本较低、动物操作简便、样本处理便捷。利用这些最新进展,我们进一步改进了该模型,使用聚醚醚酮(PEEK)替代钛来制造圆柱体,从而允许X射线穿透,并可在活体动物上应用显微断层扫描技术。
本文将介绍麻醉和手术操作流程,并展示使用该方案可能获得的结果示例,即通过(免疫)组织学、组织形态计量学、活体及离体显微断层成像技术来评估骨再生机制,并定量分析骨替代材料所支持的新骨形成。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
In line with Swiss legal requirements, the protocol was approved by an academic committee and supervised by the cantonal and federal veterinary agencies (authorizations n° GE/165/16 and GE/100/18).
1. Specific devices and animals
2. Surgery
3. Post-surgical treatment
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本文所述模型专用于评估骨替代材料的骨传导性。此外,也可评估经(预)细胞化或负载生物活性分子的骨替代材料的成骨作用和/或骨诱导作用,以及血管生成1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本文所述模型操作简便,只要遵循所有步骤并使用合适的设备,即可轻松建立。由于本方案属于外科手术方法,所有步骤均至关重要,必须严格遵守。操作人员必须接受过动物实验培训,尤其是兔类动物的饲养管理和麻醉技术。如有需要,应毫不犹豫地寻求专业麻醉师和兽医的帮助。必须强调在缝线拆除前后对动物进行每日视觉观察。尽管颅骨部位皮肤较厚、丰富且松弛,但圆柱体固定后会产生较大张力。若过早拆除缝线,伤口可能重新裂开,需要再缝合一周并重新进行抗生素治疗。若伤口裂开部位超出切口线范围,外科医生需评估是否仍可进行缝合。如无法缝合,则需考虑样本废弃。
除了方案部分所述的关键步骤外,以下细节可能有助于正确实施本方案。从技术角度来看,由于所使用的兔子年龄较小且体型较小,因此必须采用方案中描述的两步插管法。 第二根(也是最终的)导管过大,不能用于首次插管,否则存在明显的“错误路径”风险,可能导致严重损害甚至死亡。
根据所测试的材料,可考虑从已放置的耳缘静脉留置管中采集少量新鲜血液。这种方法可用于在植入前用天然细胞和生长因子预处理骨替代材料。新鲜凝固的血液也可作为理想的假手术对照样本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
The authors are indebted to Geistlich AG (Wolhusen, CH) and the Osteology foundation (Lucerne, CH) (grant n°18-049) for their support, as well as Global D (Brignais, FR) for providing the screws. A particular thanks goes to Dr B. Schaefer from Geistlich. We are also grateful to Eliane Dubois and Claire Herrmann for their excellent histological processing and their precious advices. Finally, we warmly acknowledge Xavier Belin, Sylvie Roulet and the entire team of Pr Walid Habre, “experimental surgery Dpt” ,for their remarkable technical assistance.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 药物 | |||
| 恩诺沙星 Baytril 10% | Bayer | 抗生素 | |
| 芬太尼 | Bischel | 用于镇痛 | |
| Ketalar 50mg/ml | Pfizer | 用于麻醉的氯胺酮 | |
| Lidohex | Bichsel | 眼部润滑凝胶 | |
| Opsite | Smith and Nephew | 66004978 | 可喷洒敷料 |
| 聚维酮碘 10%,Betadine | Mundipharma | 抗感染剂 | |
| 丙泊酚 2% | Braun | 3538710 | 用于麻醉 |
| Rapidocain 2% | sintetica | 局部麻醉 | |
| 林格氏醋酸盐 | Fresenius Kabi | 容量补充 | |
| Rompun 2% | Bayer | 用于麻醉的赛拉嗪 | |
| 七氟烷 5% | Abbvie | 用于麻醉 | |
| 无菌生理盐水 | Sintetica | ||
| Temgesic | Reckitt Benckiser | 盐酸丁丙诺啡,用于镇痛 | |
| 硫喷妥钠 Inresa | Ospediala | 用于麻醉 | |
| Xylocaine 10% 喷雾 | Astra Zeneca | 用于插管 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 设备 | |||
| Fresenius Vial pilot C | Imexmed | 输液泵 | |
| 加热垫 | Harvard Apparatus | ||
| Suction dominant 50 | Medela | ||
| Suction tubing Optimus | Promedical | 80342.2 | |
| 外科电机 | Schick dental | Qube | 用于钻制髓内孔 |
| 通气设备 | Maquet Servo1 | ||
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 材料 | |||
| 圆柱体及盖帽 | Boutyplast | 定制 | 成分:PEEK(聚醚醚酮) |
| 手动自持式套管 | GlobalD | ACT1K | |
| 自持式套管的移动手柄 | GlobalD | MTM | |
| 自攻螺钉 | GlobalD | VA1.2KL4 | 十字驱动螺钉,由钛合金5级(ISO 5832-3)制成 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 手术托盘 | |||
| Shiley 气管插管,直径 2.5 mm | Covidien | 86233 | 用于插管 |
| Shiley 气管插管,直径 4.9 mm | Covidien | 107-35G | 用于插管 |
| Ethicon prolene 4-0 | Ethicon | 8581H | 不可吸收缝线 |
| 镊子 | Marcel Blanc | BD027R | 145 mm |
| 插管导管 | Cook medical | 插管引导 | |
| 持针器 | Marcel Blanc | BM008R | |
| BD Microlance3 针头 | Becton Dickinson | 300300/304622 | 26G;18G |
| 骨膜剥离器 | HU-Friedy | P9X | |
| 圆形外科钻头 | Patterson | 78000 | 直径 0.8 mm,用于钻制髓内孔 |
| 手术刀 | Swann-Morton | 编号°10 和编号°15 | |
| 剪刀 | Marcel Blanc | 00657 | 180 mm |
| Omnifix 注射器 | Braun | 4616057V | 5 ml、10 ml 和 50 ml |
| Venflon G22 | Braun | 42690985-01 | 耳部静脉通路用 Vasofix 安全型留置针 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可