In situ carga de compresión y de imágenes no invasiva correlativa del hueso-ligamento periodontal de dientes fibroso Conjunta

Resumen

En este estudio, se discutirá el uso de un dispositivo de carga en situ junto con la tomografía de rayos micro-X calculado para la biomecánica conjuntos fibrosos. Lecturas experimentales identificables con un cambio general en la biomecánica articular serán los siguientes: 1) fuerza reaccionaria contra el desplazamiento, es decir, el desplazamiento del diente en el alveolo y su respuesta reaccionaria a la carga, 2) en tres dimensiones (3D) la configuración espacial y la morfometría, es decir geométrica relación de los dientes con el alvéolo, y 3) cambios en las lecturas 1 y 2 debido a un cambio en el eje de carga, es decir, las cargas concéntricas o excéntricas.

Resumen

Este estudio demuestra un protocolo de pruebas novedosas biomecánica. La ventaja de este protocolo incluye el uso de un dispositivo de carga en situ acoplada a un microscopio de rayos X de alta resolución, lo que permite la visualización de elementos estructurales internos bajo cargas fisiológicas simuladas y condiciones de humedad. Muestras experimentales incluirán ligamento-hueso periodontal intacta (PDL) de diente de articulaciones fibrosas. Los resultados se ilustran tres características importantes del protocolo, ya que se pueden aplicar a la biomecánica a nivel de órganos: 1) la fuerza reaccionaria contra el desplazamiento: desplazamiento del diente en el alveolo y su respuesta reaccionaria a la carga, 2) en tres dimensiones (3D) configuración espacial y morfometría geométrica: la relación del diente con el alveolo, y 3) cambios en las lecturas 1 y 2 debido a un cambio en el eje de carga, es decir, desde concéntrica a cargas excéntricas. La eficacia del protocolo propuesto será evaluado mediante el acoplamiento mecánico del telecturas picadura a la morfometría en 3D y la biomecánica globales de la empresa. Además, esta técnica se hará hincapié en la necesidad de equilibrar las condiciones experimentales, cargas específicamente reaccionarios antes de la adquisición de tomografías de articulaciones fibrosas. Debe tenerse en cuenta que el protocolo propuesto se limita a analizar muestras bajo condiciones ex vivo, y que el uso de agentes de contraste para visualizar la respuesta mecánica de los tejidos blandos puede llevar a conclusiones erróneas acerca del nivel de órganos tejidos y biomecánica.

Introducción

Varios métodos experimentales siguen siendo utilizados para investigar la biomecánica de las articulaciones diartrodiales y fibrosos. Métodos específicos para la biomecánica de órganos de dientes incluyen el uso de medidores de deformación ^1-3, métodos fotoelasticidad ^{4, 5,} interferometría moiré ^{6, 7,} patrón de moteado electrónico interferometría ^8, y la correlación de la imagen digital (DIC) ^9-14. En este estudio, el enfoque innovador incluye imágenes no invasivo que usa rayos X para exponer las estructuras internas de la articulación fibrosa (tejidos mineralizados y sus interfaces consistentes en zonas más suaves, y la interconexión tejidos como ligamentos) con cargas equivalentes a las condiciones in vivo. Se realizará una dispositivo de carga in situ en acoplada a un microscopio de micro-radiografía. El tiempo de carga y las curvas de carga-desplazamiento se recogerán como el molar de interés dentro de una rata hemimandíbula recién cosechado se carga. La mmeta ain del enfoque presentado en este estudio es hacer hincapié en el efecto de la morfología tridimensional de dientes de hueso mediante la comparación de las condiciones en: 1) sin carga y una vez cargado, y cuando 2) cargado concéntrica y excéntrica. La eliminación de la necesidad de que los especímenes de corte, y para llevar a cabo experimentos en los órganos intactos enteras en condiciones de humedad permitirá la máxima preservación del estado de estrés en 3D. Esto abre una nueva área de investigación en la comprensión de los procesos dinámicos del complejo bajo varios escenarios de carga.

En este estudio, los métodos para las pruebas de biomecánica PDL dentro de una articulación fibrosa intacta de una rata Sprague Dawley, se detallarán una empresa considerada como un sistema óptimo modelo de la bioingeniería. Los experimentos incluyen la simulación de cargas de masticación en condiciones hidratadas con el fin de destacar tres características importantes de la articulación que se relacionan con la biomecánica a nivel de órganos. Los tres puntos serán los siguientes: 1) fuerza reaccionaria contra el desplazamiento:desplazamiento del diente en el alveolo y su respuesta reaccionaria a la carga, 2) en tres dimensiones (3D) la configuración espacial y morfometría: relación geométrica del diente con el alveolo, y 3) los cambios en las lecturas 1 y 2 debido a un cambio en la eje de carga, es decir, desde concéntrica a cargas excéntricas. Los tres lecturas fundamentales de la técnica propuesta se pueden aplicar para investigar la naturaleza adaptativa de las articulaciones en los vertebrados, ya sea debido a los cambios en las demandas funcionales, y / o enfermedad. Los cambios en las lecturas antes mencionadas, específicamente la correlación entre las cargas reaccionarios con el desplazamiento, y que resulta en tiempo de carga y de carga-desplazamiento curvas reaccionarios a diferentes tasas de carga se pueden aplicar para resaltar los cambios globales en la biomecánica articular. La eficacia del protocolo propuesto será evaluado mediante el acoplamiento de las lecturas de ensayos mecánicos para la morfometría en 3D y la biomecánica globales de la empresa.

Protocolo

Alojamiento de animales y la eutanasia: Todos los animales utilizados en esta demostración fueron alojados en condiciones libres de patógenos, de acuerdo a los lineamientos del Cuidado de Animales y el empleo Comisión Institucional (IACUC) y el Instituto Nacional de Salud (NIH).

Proporcionar los animales con comida para ratas hard-pellet estándar y agua ad lib. La eutanasia a los animales a través de un método de dos pasos de asfixia con dióxido de carbono, la toracotomía bilateral de acuerdo con el protocolo estándar de la UCSF, aprobado por el IACUC. Realizar pruebas biomecánicas dentro de las 24 horas de sacrificio de animales para evitar la degradación del tejido.

1. Preparación y Disección de una rata o Mandíbula Maxilar

1. Retire las mandíbulas de rata mediante el corte de tejido y suavemente el tejido muscular adjuntos membranosas preservando al mismo tiempo toda la mandíbula, incluyendo el proceso coronoides y el proceso condilar (Figura 1) ^15.
2. Hemimandíbulas separados en cocheefully cortar el tejido fibroso de la sínfisis mandibular con una hoja de bisturí.
   Nota: Los procesos coronarios y del cóndilo y rama de la mandíbula (Figura 1) deben ser removidos si obstaculizan físicamente pruebas biomecánicas del 2 ^º molar.
3. Cortar los incisivos sin exponer la cámara de la pulpa de no obstaculizar la carga del molar.

2. Preparación de las muestras in situ para la compresión de carga (Figura 2)

1. Inmovilizar la muestra en un trozo de acero mediante el uso de un material que es significativamente más rígido que el espécimen experimentales antes de cargarlo en un dispositivo de carga en situ (Figura 2A).
   Nota: polimetilmetacrilato (PMMA) se utiliza para inmovilizar la muestra en este estudio y el exceso, si lo hay, se eliminó usando un explorador dental.
2. Alinear la superficie oclusal del molar (s) de interés en paralelo con el disco de muestra de AFM de metal usando un borde recto en tantoaviones (es decir, mesial-distal y bucal-lingual).
3. Crear un canal con un objeto contundente que rodea a los molares.
   Nota: Este espacio debe servir como un "foso" para contener el exceso de líquido y mantener la hidratación de los tejidos durante la carga en el lugar.
4. Prepare la superficie del diente a construir para concéntricos (Figura 2B) o excéntrica (Figura 2C) la carga con un compuesto dental. Atacar la superficie del diente de interés con gel de ácido fosfórico al 35% en la superficie oclusal de 15 seg.
5. Enjuague el reactivo de ataque a fondo con agua desionizada y secar la superficie utilizando una jeringa de aire / agua o un recipiente de aire comprimido. Con un explorador, se extendió una gota del agente de unión en las cúspides abiertas en una capa delgada. Curar el compuesto con una luz de curado dental.
   Nota: Todas las etapas que implican compuestos deberán realizarse sin la luz directa de una lámpara. Tales condiciones no deseable de acelerar el proceso de polimerización, y could impedir la colocación apropiada del compuesto. La iluminación de la habitación es aceptable.
6. Eliminar el exceso de agente de unión de los dientes adyacentes con un fino bisturí o cuchilla de afeitar.
7. Coloque compuesto dental capaz de fluir sobre la superficie después de la preparación de la superficie y se extendió en surcos de los molares (s) de interés utilizando un explorador dental.
8. Exponga el material compuesto a la luz de curado dental durante 30 segundos.
9. Moldear una acumulación oclusal de unos 3-4 mm usando un compuesto de resina dental, desde el plano oclusal del molar (s) de interés y la cura la luz durante 30 segundos.
10. Reducir la parte superior de la acumulación de material compuesto a una superficie paralela plana para permitir un esquema de carga consistente a través de todas las muestras usando un borde recto y una pieza de mano de alta velocidad.
    Nota: Durante la prueba biomecánica, otras muestras deben almacenarse en Tris-fosfato de solución tamponada (TBS) con 50 mg / ml de penicilina, y estreptomicina ^15.

3. Cargando Drift dispositivos yRigidez, Material de Propiedad Diferenciar Capability, in situ La carga del fibroso Conjunta

1. Asegure la muestra con la acumulación de material compuesto en el yunque de la etapa de carga, y la prueba para la carga uniforme como se muestra en la Figura 2B.
2. Coloque un papel de articular en la superficie del material compuesto seguido por la carga de la muestra a una carga finita para verificar la carga concéntrica o excéntrica (Figuras 2B y 2C).
3. Coloque Kimwipe empapado-TBS alrededor de las muestras para asegurar la hidratación de la muestra. Hacer una depresión alrededor de la muestra y llenarlo con TBS para mantener el órgano hidratado durante la exploración.
4. Pico de carga de entrada y la velocidad de desplazamiento en el software Deben comprimir el molar a un pico de carga deseada a una velocidad de desplazamiento después de la inmovilización del hemimandíbula.
   Nota: las lecturas típicas deben incluir una carga reaccionaria como el material se comprime en el tiempo (sensibilidad del transductor de carga = 0,1N). Desde los tiempos de carga y el tiempo de desplazamiento, una curva de carga-desplazamiento para el material comprimido se debe obtener ^16-18. Utilizando los datos recogidos de los ciclos de carga, diversas propiedades de la articulación también pueden ser determinados. La rigidez de la articulación se debe calcular tomando la pendiente de la porción lineal (aproximadamente el último 30% de los datos) de la fase de carga de la carga frente a la curva de desplazamiento ^19.

4. La tinción de los tejidos blandos, el PDL, con ácido fosfotúngstico (PTA)

Nota: Para mejorar el contraste de atenuación de los rayos X, la PDL debe ser teñido con solución de PTA 5% ^20.

1. Solución de tinción de relleno de PTA en una ampolla portadora de vidrio 1,8 ml limpio y colocar ampolla portadora cargado en la jeringa.
2. Inyectar la solución lentamente (5 min / ampolla portadora) en el PDL-espacio de los dientes adyacentes para evitar daños estructurales a los tejidos periodontales que rodean molar de interés.
   Nota: Los pasos anteriores deben abe repite hasta aproximadamente 5 carpules completos (9 ml) de solución se inyecta y se deja fluir dentro de los tejidos circundantes. Los especímenes prepped también pueden ser remojados durante la noche en la solución de PTA restantes (8 h).

5. Configuración de exploración μ-XCT recomendados

Realice m-XCT con los siguientes ajustes de escaneo:

Aumento Objetivo	4X, 10X
	1800 imágenes
Tensión del tubo de rayos X	75 kVp (50 kVp para muestras de PTA manchado)
	8 W
Tiempo de Exposición	~ 8-25 seg *
	~ 4 m (objetivo 4X), ~ 2 micras (objetivo 10X) **

* Tiempo de exposición puede variar en función de la geometría y la densidad óptica de la muestra y VO tubo de rayos Xltaje.
** Píxeles de resolución real será exactamente el mismo en base a la configuración de la fuente, la muestra, y el detector.

Resultados

Estimación de la carga de dispositivo "reacción violenta", "retroceso", la rigidez y la deriva del sistema bajo una carga constante

Backlash: Entre raciones de carga y descarga del ciclo, no existe una pausa de 3 segundos durante la cual marchas atrás en el motor antes de la verdadera descarga comienza, esto es, como la muestra se separa de la mandíbula superior (Figura 3). Este periodo se conoce como una reacción en el sistema, lo ...

Discusión

El primer paso en el establecimiento de este protocolo implicó la evaluación de la rigidez del bastidor de carga mediante el uso de un cuerpo rígido. Basándose en los resultados, la rigidez fue significativamente mayor que permite el uso del dispositivo de carga para la prueba adicional de muestras con valores de rigidez significativamente más bajos. El segundo paso de relieve la capacidad del instrumento para distinguir diferentes valores de rigidez mediante el uso de dos fases de la curva de carga-descarga generados m...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Bard Parker Blade	BD	MEDC-001054
AFM disco metálico Ted	Pella	16218
Polimetilmetacrila	GC America	N/A
Uni-Etch	Bisco	E5502EBM
Optibond Solo Plus	Kerr Corp	N/A
Filtek Flow	3M	N/A
Hurculite Ultra	Kerr	34346
Tris buffer	Mediatech Inc.	N/A
Papel articulado	Parkell Inc.
Ácido fosfotúngstico	Sigma Aldrich	HT152