Una mejorada mecánica Método de ensayo para evaluar hueso implante Anchorage

Resumen

Un método mejorado para mecánicamente prueba de fijación en el hueso a las superficies de implantes candidatos se presenta. Este método permite la alineación de la fuerza de perturbación exactamente perpendicular, o en paralelo, al plano de la superficie del implante, y proporciona un medio preciso para dirigir las fuerzas de la perturbación a una región peri-implante exacta.

Resumen

Los avances recientes en la ciencia de materiales han llevado a un aumento sustancial en la complejidad topográfica de superficies de implantes, tanto a micro y nanoescala. Como tales métodos tradicionales de describir la superficie de implantes - determinantes saber numéricos de rugosidad de la superficie - no son suficientes para predecir el rendimiento en vivo. Las pruebas biomecánicas proporciona una plataforma precisa y comparativa para analizar el rendimiento de las superficies de biomateriales. Un método de ensayo mecánico mejorado para probar el anclaje de hueso para superficies de implantes candidatos se presenta. El método es aplicable a las etapas tempranas y tardías de la curación y puede emplearse para cualquier gama de superficies químicamente o mecánicamente modificadas - pero no las superficies lisas. Implantes de encargo rectangulares se colocan bilateralmente en el fémur distal de ratas Wistar macho y se recogieron con el hueso circundante. Las probetas se preparan y macetas utilizando un nuevo molde separatista y la interrupciónprueba se llevó a cabo usando una máquina de ensayo mecánico. Este método permite la alineación de la fuerza de perturbación exactamente perpendicular, o en paralelo, al plano de la superficie del implante, y proporciona un medio preciso y reproducible para el aislamiento de una región peri-implante exacta para la prueba.

Introducción

Evaluación de anclaje de hueso a superficies de implantes endoóseos ha sido el foco de una atención considerable, para los que se han descrito muchos métodos de ensayos mecánicos ^1,2. Todos estos métodos imponen una fuerza para romper el modelo de hueso / implante que se emplea y se pueden agrupar en cizalla, por lo general se presenta como de expulsión o modelos extraíbles ^3,4, invierta torque ^{de 3,5,} y el tipo de tracción ^{6, 7.} Comúnmente en estos ensayos, ya sea de hueso ⁸ o material de implante (en el caso de los vidrios frágiles y cerámicas ^9,10) se fractura y, suponiendo que alguna forma de anclaje se ha producido, los restos de interfaz de hueso / implante (al menos parcialmente) intactos. Tales resultados experimentales significan no sólo que fuerza requerida causar fractura (o interrupción) del modelo no fuerza requerido separar interfaz hueso / implante ^11,12 sino que superficie complejo plano fractura creado puede ser refractarios amedición precisa. Sin embargo, tales pruebas pueden ser clínicamente relevante, ya que proporcionan un medidor de comparativo de la capacidad de implantes de diferentes diseños de superficie para ser anclado en el hueso. Sin embargo, también debe tenerse en cuenta que este tipo de comparaciones sólo son válidos dentro de un modelo experimental, mientras que las comparaciones entre los modelos experimentales son llena de dificultades ya que los investigadores utilizan diferentes especies animales que exhiben ya sea laminar o tejido óseo; hueso trabecular o cortical modelos de curación, y diferente mecánico geometrías y condiciones de ensayo.

En un esfuerzo para derivar una medición de la resistencia a la tracción de la interfase hueso / implante, muchos investigadores han utilizado el área de la superficie nominal del implante para derivar un valor de "resistencia a la tracción", desde resistencia a la tracción se mide como la fuerza por unidad de área. Esto es claramente una aproximación dada, como se explica más arriba, que la interfase hueso / de implante permanece intacto en muchas de las pruebas de interrupción empleaned. Además la medición de la superficie de implantes, particularmente superficies topográficamente complejas, está limitada por la resolución de la técnica de medición como se discute por Ronald et al. ¹³ Sin embargo, tal como fue revisado por Brunski et al. ^2, cuando el área de la superficie nominal de un implante se tiene en cuenta, las diferencias aparentes en la "resistencia a la tracción" asociado con diferentes diseños de superficie de implantes son negadas, lo que sugiere que las superficies de implantes con superficie superior proporcionan grandes áreas de contacto con el hueso / implante y por lo tanto requieren más fuerza para fracturar el modelo. Por tanto, la implicación es que más topográficamente complejo superficies pueden aumentar la osteogénesis de contacto, lo que resulta en un mayor contacto de implante óseo (BIC) y los valores resultantes de interrupción más altas en las pruebas mecánicas. Contacto osteogénesis es el producto de dos fenómenos distintos: osteoconducción y formación de hueso. De hecho, hemos demostrado que aumenta en osteoconducción en topógrafocamente superficies complejas pueden cuantificarse mediante la medición de la resultante BIC ^14, y de que dichas superficies también resultan en una mayor disrupción mecánica valores ^12.

Sin embargo, es beneficioso tener en cuenta que el hueso peri-implante puede formar por dos mecanismos. En las células de contacto de osteogénesis de origen mesenquimal migrar a la superficie del implante (osteoconducción), diferenciarse en células óseas, y elaborar la matriz de novo de hueso en la superficie del implante (la formación de hueso). La primera matriz ósea elaborado es una línea de cemento mineralizado como se ve en la remodelación ósea normal ¹⁵ (hay mucha confusión en la literatura referente a esta estructura biológica mineralizada que se piensa a veces para ser un-mineralizada ¹ o se syncretized con todas las interfaces en el hueso ¹⁶ - para una discusión completa sobre este tema ver Davies y Hosseini ^17). Contactar con osteogénesis es un requisito esencial para el fenómeno de la médulaDe unión, pero que no es esencial para el crecimiento óseo ^18. La línea de cemento mineralizado del hueso es mecánicamente más débil que el compartimiento de colágeno mineralizado del hueso ^19. Por lo tanto, intuitivamente, si la interdigitación de matriz de línea de cemento con características nano implante se compara con el tejido óseo en crecimiento en características de implante macro entonces sería, razonablemente, se espera que la fuerza mecánica requerida para interrumpir la primera a ser inferior a este último, y nos han demostrado recientemente este experimentalmente ^12.

Hueso peri-implante también se puede formar por la osteogénesis distancia. En este caso, el hueso se deposita sobre la superficie del hueso viejo y se hace cada vez más cerca de la superficie del implante resultante en una interfaz que comprende matriz amorfa y los restos de células osteogénicas ^20. En general, la osteogénesis distancia está asociado con superficies de implante lisas, o mecanizadas, endoóseos y se ve a menudo en la cicatrización de hueso cortical, mientras que microtopographically superficies complejas se asocian con osteogénesis de contacto que es más propio de la cicatrización del hueso trabecular. Modelos de ensayo de tracción utilizando superficies de implante lisas y la curación del hueso cortical han sido capaces de probar las propiedades adhesivas de esta amorfo ausente matriz biológica de la osteogénesis de contacto asociada con superficies topográficamente complejas, y han demostrado que la llamada unión "bioquímica" que se produce proporciona una componente menor de los valores de "resistencia a la tracción" reportados con superficies topográficamente complejas ^21. Por el contrario, utilizando un modelo de curación del hueso trabecular, Wong et al. ²² mostraron "una excelente correlación" entre el implante rugosidad de la superficie y empujar Salida carga de falla, e indicaron que la unión química de hecho jugó un papel insignificante en el anclaje de hueso para el implante superficie. Si bien es probable que tanto el contacto y la osteogénesis distancia se producen, en diferentes grados, en todos los peri-impla endoóseant compartimentos curación, superficies microtopographically complejos han demostrado ser particularmente ventajoso en la cicatrización ósea trabecular compartimientos ^23. Estos últimos se clasifican como Clase III o hueso Clase IV en la literatura dental ^24.

Nuestro propósito ha sido centrarse en los mecanismos de osteogénesis de contacto y la fijación en el hueso / implante resultante que puede sobrevenir en un ambiente de curación del hueso trabecular. Este anclaje, que depende de la topografía de la superficie del implante (ver más arriba), puede ocurrir en diferentes rangos de escala-. Por un lado, sólo las características de implante submicrométricas están implicados en el hueso de unión - como se describe por la interdigitación de la matriz de línea de cemento óseo con tales superficies, y vistos en vidrios bioactivos, cerámicas y óxidos de metal reticulado. Por otro, el tejido (a veces completo con vasos sanguíneos) del hueso puede crecer en varias micras o macro-escala, las características de las superficies del implante ^18. Ambos casos resULT en una forma de anclaje de hueso a la superficie del implante, aunque los mecanismos son claramente diferentes. Sin embargo, un defecto común de la mayoría de los métodos de pruebas mecánicas que se hace referencia más arriba es para alinear la fuerza de interrupción en un plano exactamente perpendicular, o en paralelo a la de la superficie del implante (dependiendo de si se emplea el modo de tracción o de cizallamiento). Se presenta aquí un método que supera esta limitación.

Protocolo

1. Implante de Diseño, Fabricación y Tratamiento de Superficies

1. Fabricación implantes rectangular (dimensiones 4 mm x 2,5 mm x 1,3 mm, longitud x anchura x altura) de titanio comercialmente puro (CPTI). Taladrar un orificio central a lo largo del eje largo del implante (diámetro = 0,7 mm) para facilitar la estabilidad del implante temprano dentro de la zona quirúrgica y ensayo mecánico posterior (Figura 1).
2. Tratar las superficies superior e inferior del implante.
   1. Para crear dos superficies distintas, usar un tratamiento estándar granallado (GB) para crear una superficie microtopographically compleja. Además modificar media de los implantes mediante la superposición de fosfato de calcio (CaP) nanopartículas para crear una superficie nanotopographically complejo.

Nota: Varios tratamientos químicos o mecánicos se pueden aplicar para crear una topografía superficial deseada y / o química, y estos dependerán de la naturaleza de la Questi experimentalde ser abordado. En el ejemplo proporcionado en este documento, un grupo de titanio comercialmente puro (CPTI) implantes fue sometido a granallado (GB) - un proceso sustractivo - para crear un microtopografia compleja. La mitad de los implantes fueron entonces modificado adicionalmente mediante la adición de fosfato de calcio (CaP) nanocristales para crear un nanotopografía súper impuesta (GB-DCD).

Nota: Al ver el micro-superficie-chorreada, en comparación con el nano-superficie modificada, a 10.000 aumentos, no hay ninguna diferencia evidente en características de la superficie. Sin embargo, cuando se ve en 100.000 aumentos, las diferencias se vuelven bastante obvio (Figura 2). Se ha demostrado previamente que tales cambios en la superficie tienen profundos efectos en la osteoconducción ^14.

2. Modelo Animal y Procedimiento Quirúrgico

1. Utilice jóvenes ratas Wistar macho (200-250 g) para este modelo. Todos los procedimientos deben ser aprobados por com cuidado de animales localcomités. Permitir animales libre acceso a agua y comida de rata.
   Nota: Las ratas Wistar fueron seleccionados para este procedimiento debido a la experiencia previa con esta cepa de rata, aunque otras cepas de ratas podrían ser empleados. El acceso a alimentos y agua puede ser alterada, dependiendo de la naturaleza de la pregunta experimental que está siendo tratado.


2. Ratas Sedate utilizando anestesia por inhalación se administra a través de un cono de la nariz: 4% de isoflurano en 1 LO ₂ / min para la inducción; 2% de isoflurano en 1 L de óxido nitroso y 0.6 LO ₂ / min para el mantenimiento. Llevar a cabo una prueba de convergencia pizca estándar para asegurar la sedación efectiva antes de continuar con el procedimiento.
3. Administrar analgésico pre-y post-operativamente a través de una inyección subcutánea de 0,01-0,05 mg / kg de buprenorfina.
4. Asignar implantes por la aleatorización parcial y colocar de forma bilateral en las metáfisis distales de los fémures de rata. Esto permite que un implante diferente, uno por cada uno de una selección de diferentes topografías de superficie que se va a comparard, en fémures contralateral, para optimizar el análisis estadístico.
5. Preparar a los animales por el afeitado y la limpieza del aspecto antero-lateral de cada pata trasera con 10% de Betadine. Para evitar la hipotermia, coloque una almohadilla de circulación de agua caliente debajo de la rata anestesiada.
6. El uso de un bisturí quirúrgico # 15, hacer una incisión a través de la piel a lo largo de la cara lateral del muslo para exponer el músculo. Exponer el fémur distal utilizando disección roma para desviar los cuerpos musculares de una manera mínimamente invasiva.
7. Raspe la fina capa de periostio que recubre el fémur, utilizando un elevador perióstico, para exponer completamente el hueso cortical para la perforación. Se debe tener cuidado de no dañar la placa de crecimiento o el cartílago articular de la rodilla durante la disección roma y la eliminación de periostio.
8. Una vez limpiado e inspeccionado, girar el fémur lateralmente para exponer la cara anterior del fémur distal (Figura 3A).
9. Para preparar el lugar de la cirugía, haga unbicortical ranura rectangular en el medio del hueso a través de ambas corticales. Para evitar el sobrecalentamiento del tejido, solución salina de irrigación debe mantenerse durante toda la perforación por un ayudante quirúrgico. Llevar a cabo la perforación en tres etapas:
   1. En primer lugar, perforar la corteza anterior, expuesta por la disección, con una fresa dental 1,3 mm en una pieza de mano dental para crear dos agujeros de 2,5 mm de separación a lo largo de la línea media del fémur.
   2. A continuación, utilice una segunda broca (giro 1,3 mm fresa dental) para extender estos agujeros a través de la corteza de oposición, resultando en huecos paralelos bicorticales.
   3. Por último, se unen los orificios con una tercera fresa de corte lateral de encargo en una dirección proximal-distal, formando el sitio para el implante (Figura 3B).
10. Pasar una sutura biodegradable a través del defecto óseo usando la aguja y volver alrededor de la corteza femoral externo.
11. Pase el implante sobre el extremo libre de la sutura y lo guiará en el defecto, waquí debe ser la presión-equipada. De esta manera, el eje largo del implante debe estar orientado perpendicular al eje largo del fémur (Figura 3C).
12. Ate la sutura alrededor de la cara lateral del fémur para proporcionar la estabilidad del implante durante la recuperación post-operatoria y las primeras etapas de la curación. Utilice la sutura restante para cerrar el tejido muscular, y reoppose el tejido cutáneo usando grapas quirúrgicas (9 mm grapas para heridas).
13. Inspeccionar los sitios quirúrgicos para detectar signos de infección, y observar a los animales todos los días para la capacidad ambulatoria comprometida. Excluir a los animales que no se recuperan totalmente la deambulación, o los que tienen fracturas de fémur en el sacrificio, desde el análisis.

3. La recolección de la muestra

1. Sacrificio de animales a los 9 días después de la operación por dislocación cervical después de CO ₂ de la exposición.
2. Tras el sacrificio, separar fémures y limpia de los tejidos blandos. Almacenar inmediatamente en solución de tampón de sacarosa 15% para mantener el tejido hydration en preparación para la prueba mecánica (Figura 4A).
   Nota: Las muestras se almacenan en la solución tampón de sacarosa para mantener la hidratación del tejido durante el transporte entre las instalaciones. Especímenes gastarán aproximadamente 2-3 horas en solución durante la preparación para la prueba mecánica.


3. Para preparar muestras para los ensayos mecánicos, recortar el hueso a la anchura de los implantes utilizando una fresa de diamante cilíndrica conectada a un sistema de alta velocidad. Las muestras de ensayo finales consisten en dos arcos de hueso unidos a cada cara del implante (Figura 4B). Para arcos que se caen durante la preparación o el transporte, asigne un valor de ensayos mecánicos de 0 N.
   Nota: Es importante ser muy gentil y preciso para cortar las muestras, con el fin de evitar dañar o pretensado de la interfaz. Callo óseo reparativo puede crecer alrededor del eje largo del implante e incluso en el orificio longitudinal. Tal exceso de hueso debe ser retirado por trimming especímenes a las dimensiones exactas del implante rectangular, como se puede sesgar los resultados de ensayos mecánicos.

4. Pruebas Mecánicas

Un molde de ruptura de encargo fue diseñado para olla de cada muestra, la creación de un método repetible y precisa de la preparación de muestras para ensayos mecánicos. El diseño permite el aislamiento de una región de 0,5 mm de hueso peri-implante para una zona de pruebas consistentes, mientras se mantiene la muestra centrada y completamente horizontal durante el proceso de encapsulación, lo que permite la aplicación de una fuerza directamente perpendicular a la superficie del implante. Consulte la Figura 5 para los planos completos y la Figura 6 para los componentes finales.

Nota: Conducta Todas las pruebas utilizando un aparato de ensayos mecánicos, que funciona a una velocidad de cruceta de 30 mm / min. Para una evaluación cualitativa de hueso residual después de las pruebas, un microscopio de disección se puede utilizar.

1. Plantar en macetade las Muestras y Pruebas Mecánicas
   1. Retirar las muestras de la solución de tampón de sacarosa y seca suavemente blot.
   2. Posición de la muestra en el molde personalizado. Deslizar el pasador horizontalmente a través de agujeros en las paredes del molde y a través del agujero en el medio del implante. Coloque la placa de estabilización en el lado posterior del molde para estabilizar el implante (Figura 7.)
   3. Llene la base del molde con composite dental fluida y curar durante 60 segundos utilizando una alta intensidad de luz de curado.
      Nota: Es importante elegir un compuesto que no establece con una reacción exotérmica, como tal, el calor generado puede influir en las propiedades de los tejidos.
   4. Después de curar, abrir el molde y retire primero la muestra y endurecido. Dibuja una línea fina negro con un marcador permanente en el arco lateral con fines de identificación.
   5. Fijar una réplica prefabricada de la probeta en un vicio, y el centro de la unidad sobre la base del instrumento de la prueba mecánica.
   6. Fijar la probeta en el vicio y pasar una línea de nylon a través del agujero en el implante (Figura 8). Conecte los extremos sueltos para el centro de la cruceta móvil. Para mantener la coherencia, siempre etiquetar y poner a prueba el lado lateral primero. Repita el proceso con el arco medial.

Resultados

Todos los animales aumentaron su actividad ambulatoria con el tiempo después de su recuperación de la cirugía. Esto es importante porque la carga tiene efectos diferenciales sobre las topografías de los diferentes rangos de escala, como se ha informado recientemente ^12. Una curva de fuerza / desplazamiento representativa de muestras de ensayo siguientes ensayos mecánicos se presenta en la Figura 9A, y los datos promediados para cada superficie del implante se presenta en la Figura 9B....

Discusión

El modelo de prueba mecánica presentado aquí proporciona un método mejorado para evaluar el anclaje de hueso a superficies de implante candidatos, ya que permite precisa perpendicular, o en paralelo, la alineación de la muestra de ensayo con el eje de la fuerza aplicada interrupción, y limita la zona de fractura a en menos de medio milímetro de la superficie del implante. El modelo se incorpora fácilmente en los estudios que comparan la eficacia de cualquier gama de Químicamente, o mecánicamente, superficies modificadas...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Dulbecco' s Solución tampón de fosfato (DPBS)	Gibco Life Technologies, Burlington, ON, Canadá	14190-250
Solución de formalina tamponada neutra al 10%	Sigma-Aldrich Co. LLC., Canadá	HT501128-4L
Implantes rectangulares diseñados a medida (titanio comercialmente puro; dimensiones: 4 mm x 2,5 mm x 1,3 mm con un orificio de 0,7 mm perforado en el centro del eje largo)	Biomet 3i, FL, EE. UU	. N/A
Molde separable diseñado a medida	Biomet 3i, FL, EE. UU	N/A
Isoflurano	Baxter Internationl Inc.	N/A
	Bedford Laboratories	N/A
10% betadine	Bruce Medical, MA, EE. UU	FR-2200-90
Bisturí	Almedic, Medstore, Universidad de Toronto, Canadá	2586-M36-0100
Hoja de bisturí #15 (estéril)	Magna, Medstore, Universidad de Toronto, Canadá	2586
Elevador perióstico #24G	Spectrum Surgical, OH, EE. UU.	EX7
	Almedic, Medstore, Universidad de Toronto, Canadá	7747-A10-108
Pinzas de tejido	Almedic, Medstore, Universidad de Toronto, Canadá	7722-A10-308
Tijeras	Almedic, Medstore, Universidad de Toronto	7603-A8-240
Tela absorbente Cortina de uso general (estéril)	Vitality Gasa médica	1089
(no estéril)	VWR	89133-260
Agujas 25G x 5/8" (desechables)	BD, Canadá	305122
Jeringas (estériles)	VWR, Canadá	CABD309653
Needle Driver Almedic	, Medstore, Universidad de Toronto, Canadá	A17-132
Dynarex Guantes quirúrgicos (estériles)	Amazon.com	2475
Mascarillas quirúrgicas	Fisherbrand, Medstore, Universidad de Toronto, Canadá	296360759
salina estéril al 0,9%	Marca de la casa, Medstore, Universidad de Toronto, Canadá	1011-L8001
Cortapelos	Remington, EE. UU	/A
4-0 Polysorb	Syneture	SL5627G
9mm Pinzas	para heridasBecton Dickinson, MD, EE. UU.	427631
pieza de mano dental ImplantMED DU 900 y WS-75	W& H Dentalwerk, Austria	DU1000US
broca helicoidal de 1,3 mm	Brasseler, GA, EE. UU	203.21.013
fresa dental de 1,3 mm	Biomet 3i, FL, EE. UU
Fresa cilíndrica de corte lateral personalizada de 1,2 mm	Biomet 3i, FL, EE. UU
	Brasseler, GA, EE. UU	H1.21.014
Sistema de perforación dental de alta velocidad	Pieza de mano: KaVo Dental Corporation, IL, EE. UU.	N/A Control de
mano: DCI International, OR, EE. UU.
99.5% Sacarosa ultra pura	BioShop Canada Inc., Burlington, ON, Canadá	57-50-1
Composite dental fluido	Filtek Supreme Ultra Flowable Restorative, 3M ESPE, St Paul, Minnesota, USA	6033XW
Arco de plasma de zafiro luz de polimerización de alta intensidad	Den-Mat Holdings, Santa Maria, CA, EE. UU	/A
Instron 4301 con célula de carga de 1000 N	Instron, Norwood, MA, EE. UU	N/A
Microscopio de disección Leica Wild M3Z Stereozoom	Leica, Heerbrugg, Suiza	N/A
Cámara digital QImaging Micropublisher 5.0 RTV acoplada con software de adquisición QCapture 2.90.1	QImaging, Surrey, BC, Canadá	N/A
Calibrador digital electrónico	Fred V. Fowler Company, Inc., Newton, MA, EE. UU.	N/A
Instrumento de prueba mecánico	Instron, Norwood, MA, EE. UU	. N/A