Eine verbesserte mechanische Testverfahren zu Knochen-Implantat-Anchorage bewerten

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Verankerung und Stabilität von neu gebildetem reparativem Knochen auf den Implantatoberflächen der Kandidaten zu beurteilen. Dies wird erreicht, indem zunächst zwei Gruppen von kundenspezifischen Titanimplantaten erstellt werden. Eine Gruppe wurde mit einer Standard-Sandstrahlbehandlung behandelt, um eine darunterliegende Mikrotopographie zu erzeugen, und eine zweite Gruppe mit der gleichen Sandstrahlbehandlung sowie überlagerten Calciumphosphat-Nanokristallen.

Der zweite Schritt besteht darin, neun Tage lang Implantate in den distalen Oberschenkelknochen männlicher Wistar-Ratten zu setzen, dann werden die Fems gesammelt. Als nächstes werden die Fems gereinigt und der umgebende Knochen auf die Breite des Implantats getrimmt, wobei mechanische Testproben mit dem kortikalen Bogen auf beiden Seiten des Implantats verbleiben. Der letzte Schritt besteht darin, die Prüfkörper mit einer speziell angefertigten Abreißform, die 0,5 Millimeter periimplantären Knochen isoliert, in ein fließfähiges Zahnkomposit zu setzen und die Proben mechanisch zu testen.

Letztendlich liefern die Ergebnisse der mechanischen Tests eine Beurteilung der Fähigkeit der Implantatoberfläche, als Verankerungsfläche für neu gebildeten Reparaturknochen zu fungieren. Mit dieser Methode kann die Bedeutung verschiedener Skalenbereiche der Implantatoberflächentopographie für die verschiedenen Mechanismen der Knochenverankerung von der Knochenverklebung auf der Nanometerskala bis zum Einwachsen des Knochens auf der Mikrometerskala demonstriert werden. Die Technik eignet sich besonders zur Messung der Auswirkungen von Oberflächendesigns, wie z. B. verankerten Oberflächen für neu gebildeten Reparaturknochen.

Denn es begrenzt den mechanischen Prüfbereich auf einen halben Millimeter um die Implantatoberfläche. Diese Methode kann Aufschluss über die Auswirkungen auf die Knochenbildung in Abhängigkeit vom Oberflächendesign des Implantats geben und kann auch auf andere metallische, keramische und polymere Implantatmaterialien angewendet werden. Um dieses Verfahren zu beginnen, stellen Sie rechteckige Titanimplantate aus kommerziell reinem Titan her, bohren Sie dann ein Loch mittig entlang der Längsachse und bereiten Sie ihre Oberflächen für die Implantation vor, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben, ordnen Sie die Implantate durch partielle Randomisierung einem dem linken Oberschenkelknochen und einem

Dies stellt sicher, dass ein Implantat jedes Implantattyps im selben Tier landet und ermöglicht eine Optimierung der statistischen Analyse. Wie bei allen Tierversuchen sollten Sie die Protokollgenehmigung des örtlichen Tierschutzausschusses einholen, bevor Sie mit Experimenten für dieses Verfahren beginnen. Besorgen Sie sich junge Wistar-Ratten, die zum Zeitpunkt der Operation zwischen 200 und 250 Gramm wiegen.

Betäuben Sie jeweils eine Ratte mit Inhalationsanästhesie zur Induktion. Verabreichen Sie 4% Fluor in Sauerstoff mit einer Durchflussrate von einem Liter pro Minute. Verwenden Sie dann 2% Fluor in einer Mischung aus einem Liter Distickstoffmonoxid pro Minute und 0,6 Litern Sauerstoff pro Minute.

Um die Sedierung aufrechtzuerhalten, führen Sie einen Standard-Zehenquetschtest durch, um eine wirksame Sedierung zu gewährleisten, bevor Sie mit dem Eingriff fortfahren. Sobald Sie vollständig sediert sind, tragen Sie eine künstliche Tränensalbe auf beide Augen auf und verabreichen Sie ein präoperatives Analgetikum durch eine subkutane Injektion von 0,01 bis 0,05 Milligramm pro Kilogramm Buprenorphin. Rasieren Sie anschließend die anterolaterale Seite jedes Hinterbeins und desinfizieren Sie dann den Operationsbereich, indem Sie dreimal abwechselnd 10 % Betadin und 70 % Ethanol verwenden.

Legen Sie die Ratte mit einem chirurgischen Skalpell der Nummer 15 auf ein Zirkulationskissen mit warmem Wasser, um eine Unterkühlung während des Eingriffs zu vermeiden. Mache einen Schnitt durch die Haut und entlang der seitlichen Seite des Oberschenkels, um den Muskel freizulegen. Legen Sie dann den distalen Oberschenkelknochen durch stumpfe Dissektion frei, um die Muskelkörper minimalinvasiv abzulenken.

Kratzen Sie als Nächstes die dünne Schicht des Periosts, die den Oberschenkelknochen bedeckt, mit einem Perote-Aufzug ab, um den kortikalen Knochen für die Bohrung vollständig freizulegen. Achten Sie darauf, die Wachstumsfuge oder den Gelenkknorpel des Kniegelenks bei einer stumpfen Dissektion oder Entfernung der Knochenhaut nicht zu beschädigen. Sobald der Femur gereinigt und inspiziert wurde, drehen Sie den Femur seitlich, um den vorderen Aspekt des distalen Femurs freizulegen.

Stellen Sie außerdem sicher, dass genügend sterile Kochsalzlösung zur Verfügung steht, um das Gewebe während des Bohrens zu spülen, um eine Überhitzung des Gewebes zu vermeiden. Messen Sie vor dem Bohren mit einem Messschieber die Position von zwei Löchern im Abstand von 2,5 Millimetern entlang der Mittellinie des Oberschenkelknochens. Befestigen Sie dann einen 1,3 Millimeter Zahnfräser an einem zahnärztlichen Handstück und erzeugen Sie die Löcher, indem Sie durch die vordere Rinde bohren. Befestigen Sie als Nächstes einen gedrehten 1,3 Millimeter Zahnfräser am Handstück und verlängern Sie die Löcher durch die gegenüberliegende Rinde des Oberschenkelknochens, wodurch bikortikale parallele Löcher entstehen.

Tauschen Sie schließlich den Drehfräser gegen einen benutzerdefinierten Seitenfräser aus und verwenden Sie ihn, um die Löcher in proximaler distaler Richtung zu verbinden und so die Stelle für das Implantat zu bilden. Sobald der Defekt abgeschlossen ist, führen Sie mit der angebrachten Nadel eine biologisch abbaubare Naht durch die Öffnung und führen Sie sie um die äußere Femurrinde herum zurück. Fädeln Sie dann das Implantat über das freie Ende der Naht und führen Sie es in den Defekt, wo es unter Druck gesetzt werden soll.

Binden Sie die Naht um die laterale Seite des Oberschenkelknochens, um die Stabilität des Implantats während der postoperativen Genesung und in den frühen Stadien der Heilung zu gewährleisten. Verwenden Sie die verbleibende Naht, um das Muskelgewebe zu schließen, und legen Sie dann das Hautgewebe mit chirurgischen Klammern fest. Zum Schluss verabreichen Sie ein postoperatives Analgetikum durch eine subkutane Injektion.

Untersuchen Sie die Operationsstellen auf Anzeichen einer Infektion und überwachen Sie die Tiere täglich. Ausschließen von Tieren, die sich nicht vollständig von der Gehfähigkeit erholen können oder bei denen bei der Tötung Oberschenkelfrakturen festgestellt wurden. Nach der Tötung ist der Oberschenkelknochen zu lösen und den Knochen vom umgebenden Weichgewebe zu reinigen. Lagern Sie es sofort in einer 15%igen Saccharose-Pufferlösung, um die Hydratation des Gewebes aufrechtzuerhalten.

Zur Vorbereitung der mechanischen Prüfung zeichnen Sie zur Identifizierung eine dünne schwarze Linie mit Permanentmarker auf den Seitenbogen. Als nächstes trimmen Sie den Knochen auf die Breite der Implantate mit einem zylindrischen Diamantfräser, der an einem Hochgeschwindigkeitssystem befestigt ist. Die endgültigen Prüfkörper bestehen aus zwei Knochenbögen, die an jeder Fläche des Implantats befestigt sind.

Verwenden Sie für alle Prüfungen ein mechanisches Prüfgerät, das mit einer Wägezelle ausgestattet ist, und stellen Sie die Arbeitsgeschwindigkeit auf 30 Millimeter pro Minute ein. Weisen Sie einen Prüfwert von null Newton für Bögen zu, die während der Vorbereitung oder des Transports zu Prüflingen abfallen. Legen Sie zunächst die Probe in eine benutzerdefinierte Abreißform und stabilisieren Sie sie, indem Sie die Stabilisierungsplatte auf der hinteren Seite der Form platzieren.

Umgeben Sie dann den kortikalen Bogen mit fließfähigem Zahnkomposit und härten Sie das Komposit 60 Sekunden lang mit einem hochintensiven Saphir-Plasmalichtbogen aus. Dieses Design ermöglicht die Isolierung eines 0,5-Millimeter-Bereichs des periimplantären Knochens für konsistente Tests. Öffnen Sie nach dem Aushärten die Form und entfernen Sie den ausgehärteten Probenblock.

Befestigen Sie anschließend eine vorgefertigte Replik des Prüflings in einem Schraubstock und zentrieren Sie das Gerät auf der Basis des Instrons. Verankern Sie dann die Probe am System, indem Sie sie in den Schraubstockfaden stecken, die 10-Pfund-Nylon-Angelschnur durch das Implantat führen und die losen Enden an der beweglichen Traverse befestigen. Aus Gründen der Konsistenz beschriften und testen Sie immer zuerst die Seitenseite. Bewegen Sie anschließend die Traverse wie zuvor mit 30 Millimetern pro Minute von der Probe weg, bis sie ausfällt.

Sobald sich der Knochen von der Implantatoberfläche löst, wiederholen Sie diesen Vorgang mit dem medialen Bogen und betrachten Sie dann die Implantatoberflächen mit einem Präpariermikroskop. Hier sind REM-Bilder der sandgestrahlten Implantatoberflächen zu sehen, die mit und ohne Zusatz von Calciumphosphat-Nanokristallen präsentiert werden. Die modifizierten Nanooberflächen sehen bei 10.000 x ähnlich aus wie die Kontrollflächen, aber wenn man sie bei 100.000 x betrachtet, wird die überlagerte Nanotopographie, die durch die Calciumphosphat-Nanokristalle erzeugt wird, ziemlich offensichtlich.

Hier sind repräsentative Kurven der erzwungenen Verschiebung dargestellt. Die roten Linien stellen die mikrotopographisch komplexen Oberflächen dar, während die schwarze Linie Implantate mit den überlagerten Calciumphosphat-Nanokristallen darstellt. Die Oberfläche mit den zugesetzten topographischen Merkmalen des Calciumphosphat-Submikrons wies signifikant höhere Disruptionskräfte auf als die mit einer unmodifizierten Mikrotopographie.

Bei der Analyse der Frakturebenen nach mechanischen Tests wurden 92 % der Knochen, bei denen der Knochen von fließfähigem Zahnkomposit umhüllt war, innerhalb des Zielimplantatbereichs gebrochen. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, beim Vergießen der Proben aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts streng darauf zu achten. Sie sind schwer genau zu platzieren, daher ist es notwendig, alles richtig auszurichten, bevor das Zahnkomposit aufgetragen wird.

Im Anschluss an dieses Verfahren können fortschrittliche bildgebende Verfahren wie z.B. die Rückstreuelektronenbildgebung in einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zur Knochenimplantat-Wechselwirkung bei einer deutlich höheren Vergrößerung zu beantworten.