一种改进的机械性能测试方法来评估骨种植体支抗
2014年2月10日
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。
该程序的总体目标是评估新形成的修复骨对候选种植体表面的锚定和稳定性。这是通过首先创建两组定制的钛植入物来实现的。一组采用标准喷砂处理以形成底层微形貌，另一组采用相同的喷砂处理，以及叠加的磷酸钙纳米晶体。
第二步是将植入物放入雄性 wistar 大鼠的股骨远端 9 天，此时收集 fem。接下来，清洁 fem 并将周围的骨骼修剪到植入物的宽度，留下机械测试标本，皮质弓位于植入物的两侧。最后一步是使用定制的分离模具将试样放入可流动的牙科复合材料中，该模具可隔离 0.5 毫米的种植体周围骨，并对试样进行机械测试。
最终，机械测试结果提供了对候选种植体表面作为新形成的修复骨的锚固表面的能力的评估。这种方法可用于证明不同尺度范围的植入物表面形貌对骨锚固的各种机制的重要性，从纳米尺度的骨粘合到微米尺度的骨向内生长。该技术特别适合测量候选表面设计的效果，例如新形成的修复骨的锚定表面。
因为它将机械测试区域限制在植入物表面的半毫米以内。这种方法可以深入了解植入物表面设计对骨骼形成的影响，也可以应用于其他金属、陶瓷和聚合物植入物材料。要开始此过程，请用商业纯钛制造矩形钛植入物，然后在长轴中心钻一个孔，并按照随附文本协议中的描述准备其表面以进行植入，通过部分随机化将植入物一个分配给左股骨，一个分配给右侧。
这确保了每种植入物类型中的一种最终出现在同一只动物中，并允许优化统计分析。与所有动物程序一样，在开始该程序的任何实验之前，请获得当地动物护理委员会的协议批准。获得手术时体重在 200 至 250 克之间的年轻 wistar 大鼠。
使用吸入麻醉一次镇静一只大鼠进行诱导。以每分钟 1 升的流速在氧气中施用 4%的氟。然后在每分钟 1 升一氧化二氮和每分钟 0.6 升氧气的混合物中使用 2%的氟。
为了维持镇静，在继续手术之前，请进行标准的脚趾捏试验以确保有效镇静。完全镇静后，将人工泪液软膏涂抹在双眼上，并通过皮下注射每公斤丁丙诺啡 0.01 至 0.05 毫克进行术前镇痛。接下来，剃掉每条后腿的前外侧，然后用 10% 优碘和 70% 乙醇交替消毒 3 次手术区域。
将大鼠放在温水循环垫上，以防止在手术过程中使用 15 号手术刀体温过低。在皮肤上和大腿外侧切开一个切口，露出肌肉。然后使用钝器解剖暴露股骨远端，以微创方式偏转肌肉体。
接下来，刮掉骨膜的薄层，它使用 perote 升降机覆盖在股骨上，以完全暴露皮质骨以进行钻孔。在钝性解剖或切除骨膜时，注意不要损坏膝关节的生长板或关节软骨。清洁和检查股骨后，横向旋转股骨以露出股骨远端的前部。
还要确保在钻孔过程中有充足的无菌盐水可用于冲洗组织，以避免组织过热 钻孔前，使用卡尺沿股骨中线测量两个孔的位置，相距 2.5 毫米。然后将 1.3 毫米的牙科毛刺连接到牙科手机上，并通过钻穿前皮层来打孔。接下来，在手机上装上一个扭曲的 1.3 毫米牙科毛刺，并将孔延伸到股骨的相对皮层，从而形成双皮质平行孔。
最后，将扭曲毛刺换成定制的侧切毛刺，并用它连接近端远端方向的孔，形成植入物的部位。缺损完成后，使用附带的针头将可生物降解的缝合线穿过开口，然后将其返回股骨外皮层周围。然后将植入物穿在缝合线的自由端上，并将其引导到应进行压力安装的缺损处。
将缝合线系在股骨外侧，以在术后恢复和愈合的早期阶段提供植入物的稳定性。使用剩余的缝合线闭合肌肉组织，然后使用手术钉使皮肤组织休止。最后，通过皮下注射给予术后镇痛药。
检查手术部位是否有感染迹象，并每天监测动物。排除不能完全恢复行走的动物或在牺牲时发现股骨骨折的动物 牺牲后，分离股骨并清洁周围软组织的骨骼。立即将其储存在 15% 蔗糖缓冲溶液中以保持组织水合作用。
在准备机械测试时，在外侧弓上的永久性标记中画一条细黑线以进行识别。接下来，使用连接到高速系统的圆柱形金刚石毛刺将骨骼修剪到植入物的宽度。最终测试样本由两个骨弓组成，连接到植入物的每个表面。
使用配备称重传感器的机械测试设备进行所有测试，并将运行速度设置为每分钟 30 毫米。为在制备或运输到测试样品过程中脱落的拱门分配零牛顿的测试值。首先，将试样放入定制的分离模具中，并将稳定板放在模具的后侧以稳定它。
然后用可流动的牙科复合材料包围皮质弓，并使用蓝宝石等离子弧高强度固化光固化复合材料 60 秒。这种设计允许隔离种植体周围骨的 0.5 毫米区域，以实现一致的测试。固化后，打开模具并取出硬化的试样块。
接下来，将试样的预制复制品固定在虎钳中，并将装置置于 Instron 底座的中心。然后将样品放入副线中，将样品固定在系统上，将 10 磅重的尼龙钓鱼线穿过植入物，并将松散的末端连接到移动的十字头上 为了保持一致性，请始终先标记和测试侧面。接下来，像以前一样以每分钟 30 毫米的速度将十字头从样品上移开，直到失败。
一旦骨骼从种植体表面拉出，用内侧弓重复这个过程，然后使用解剖显微镜观察种植体表面。这里显示的是添加和不添加磷酸钙纳米晶体的喷砂植入物表面的 SEM 图像。改性的纳米表面在 10， 000 x 下看起来与控制表面相似，但是在 100， 000 x 下观察时，由磷酸钙纳米晶体产生的叠加纳米形貌变得非常明显。
此处显示了代表性的受强迫位移曲线。红线表示微观形貌复杂的表面，而黑线表示叠加磷酸钙纳米晶体的植入物。添加磷酸钙亚微米形貌特征的表面比未改性的微形貌表面具有显著更高的破坏力。
在机械测试后的骨折平面分析中，92% 的骨包裹在可流动牙科复合材料中的骨折面在目标种植体区域内骨折。在尝试此程序时，由于试样的尺寸和重量很小，因此在灌封试样时必须严格注意。它们很难准确放置，因此在应用牙科复合材料之前必须正确对齐所有东西。
按照此程序，可以执行先进的成像方法，例如扫描电子显微镜中的背散射电子成像，以便在显着更高的放大倍率下回答有关骨植入物相互作用的其他问题。
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概述
本研究提出了一种改进的机械测试骨锚定与植入物表面的方法。该方法允许精确对准破坏力，提高了周植入区域测试的准确性。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物材料
- 骨科
背景
- 骨锚定对植入物的成功至关重要。
- 机械测试方法可以影响植入物稳定性的评估。
- 可以设计定制的钛植入物来研究不同的表面处理。
- 磷酸钙纳米晶体可能增强骨整合。
研究目的
- 评估修复骨与植入物表面的锚定和稳定性。
- 比较不同表面处理对植入物稳定性的影响。
- 开发可靠的周植入区域机械测试方法。
使用的方法
- 创建两组具有不同表面处理的定制钛植入物。
- 在雄性Wistar大鼠的远端股骨中植入九天。
- 收集并准备股骨以进行机械测试。
- 使用可流动的牙科复合材料来隔离周植入骨以进行测试。
主要结果
- 该方法允许精确应用破坏力。
- 机械测试提供了关于骨-植入物整合稳定性的见解。
- 表面处理显著影响植入物的锚定。
- 该研究为未来关于植入物稳定性的研究建立了框架。
结论
- 改进的测试方法增强了植入物表面的评估。
- 理解骨与植入物表面之间的相互作用对植入物设计至关重要。
- 未来的研究可以在这种方法的基础上探索其他表面处理。
常见问题
Executive Industry Relevance
Accurate assessment of bone-implant anchorage is critical for de-risking orthopedic implant candidates during preclinical development. This method enables quantitative comparison of surface topographies across micro- and nano-scales, supporting mechanistic understanding of bone integration mechanisms. It provides reproducible disruption force measurements that inform go/no-go decisions for implant surface designs before costly in vivo studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by linking implant surface topography to bone anchorage mechanisms at defined spatial scales.
- Operational Value: Enables functional validation of biomaterial surfaces through isolated peri-implant region testing, reducing mechanistic ambiguity in early target validation.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological test specimens with standardized 0.5 mm peri-implant bone isolation for consistent mechanical readouts.
- Operational Value: Supports assay standardization and reproducibility via breakaway mold potting and precise force alignment, enabling reliable compound or surface evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Assesses disease-relevant bone healing responses in rodent models, providing translational continuity from discovery to preclinical validation.
- Operational Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions by quantifying surface-dependent effects on reparative bone anchorage over defined healing periods.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early biomaterial screening through lead identification to preclinical safety assessment, particularly for orthopedic implant surface optimization.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of how surface nano- and micro-topographies influence bone bonding and ingrowth mechanisms.
- Screening: Enables assay-ready specimens with isolated peri-implant regions, ensuring reproducible disruption force measurements across surface variants.
- Analytics: Generates quantitative force-displacement outputs and fracture plane analysis to compare conditions and rank surface treatments.
- Translational Research: Connects implant surface design to bone healing outcomes in a clinically relevant rodent femoral defect model.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating diverse implant materials (metal, ceramic, polymer) and surface modifications across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in implant stability by isolating exact peri-implant regions and measuring disruption forces parallel or perpendicular to the implant plane.
- Operational Value: Improves standardization and scalability through custom breakaway molds and flowable dental composite potting, minimizing variability in specimen preparation.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions by quantifying the contribution of specific surface features (e.g., calcium phosphate nano crystals) to bone anchorage, reducing late-stage biological failure risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of implant surface designs using reproducible mechanical endpoints that correlate with in vivo performance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rodent orthopedic surgery, implant fabrication, and mechanical testing instrumentation.
- Dependent on access to mechanical testing machines with precise load alignment and flowable dental composite curing equipment.
- Necessitates cross-team standardization of specimen preparation, particularly breakaway mold use and 0.5 mm peri-implant bone isolation.
- Involves adaptation considerations when applying the method to non-titanium implant materials or different anatomical sites.
- Limited to roughened or textured surfaces; not applicable to smooth implant surfaces due to insufficient mechanical interlock for reliable testing.
