In situ carico di compressione e Correlativo imaging non invasiva del Bone-parodontale legamento-dente Fibrosa comune

Sommario

In questo studio, sarà discusso l'uso di un dispositivo in situ loading accoppiato con tomografia micro-computerizzata a raggi X per la biomeccanica articolare fibrosi. Letture sperimentali identificabili con una variazione complessiva delle biomeccanica articolare saranno: 1) forza reazionaria contro lo spostamento, vale a dire lo spostamento del dente nella presa alveolare e la sua risposta reazionaria a carico, 2) tridimensionale (3D) configurazione spaziale e morfometria, cioè geometrico rapporto del dente con la presa alveolare, e 3) variazioni letture 1 e 2 a causa di un cambiamento di asse, cioè carichi concentrici o eccentrici.

Abstract

Questo studio dimostra un protocollo di test nuovi biomeccanica. Il vantaggio di questo protocollo prevede l'uso di un dispositivo in situ carico accoppiato ad un microscopio a raggi X ad alta risoluzione, permettendo la visualizzazione di elementi strutturali interne sotto carichi fisiologici simulati e bagnata. I campioni sperimentali comprenderanno legamento osso parodontale integro (PDL)-dente articolazioni fibrose. I risultati illustrano tre caratteristiche importanti del protocollo in quanto possono essere applicate alla biomeccanica livello di organi: 1) forza reazionaria vs spostamento: lo spostamento del dente nella presa alveolare e la sua risposta reazionaria a carico, 2) tridimensionale (3D) configurazione spaziale e morfometria: relazione geometrica del dente con la presa alveolare, e 3) variazioni di letture 1 e 2, a causa di un cambiamento di asse, cioè dal concentrico a carichi eccentrici. Efficacia del protocollo proposto sarà valutata mediante accoppiamento meccanico teletture Sting morfometria 3D e biomeccanica complessive del giunto. Inoltre, questa tecnica risalto sulla necessità di equilibrare condizioni sperimentali, carichi specificamente reazionarie precedentemente all'acquisizione tomogrammi di articolazioni fibrose. Va osservato che il protocollo proposto è limitato al test campioni ex vivo sotto condizioni, e che l'uso di agenti di contrasto per visualizzarne la risposta meccanica dei tessuti molli potrebbe portare a conclusioni errate circa tessuto e livello organo biomeccanica.

Introduzione

Diversi metodi sperimentali continuano ad essere utilizzati per studiare la biomeccanica delle articolazioni diartrodiali e fibrosi. Metodi specifici per la biomeccanica organo dente includono l'uso di estensimetri ^1-3, metodi fotoelasticità ^{4, 5,} Moiré interferometria ^{6, 7,} elettronico modello speckle interferometria ^8, e la correlazione di immagini digitali (DIC) ^9-14. In questo studio, l'approccio innovativo comprende non invasivo utilizzando raggi X per esporre le strutture interne di un giunto fibroso (tessuti mineralizzati e le loro interfacce costituiti da zone più morbide, e interfacciamento tessuti come legamenti) con carichi equivalenti a condizioni in vivo. Verrà utilizzato un dispositivo situ loading accoppiato ad un microscopio micro-X-ray. Il carico-tempo e le curve carico-spostamento saranno raccolte come il molare di interesse all'interno di un ratto emi-mandibola appena raccolto viene caricato. Il main obiettivo dell'approccio presentato in questo studio è sottolineare l'effetto della morfologia tridimensionale del dente-osso dal confronto a: 1) vuoto e quando caricato, e quando 2) concentricamente ed eccentricamente caricati. Eliminando la necessità di esemplari di taglio, e per eseguire esperimenti sugli interi organi intatti in condizioni di bagnato consentirà la massima conservazione dello stato di stress in 3D. Si apre una nuova area di ricerca nella comprensione dei processi dinamici del complesso sotto diversi scenari di carico.

In questo studio, i metodi di biomeccanica test PDL all'interno di un giunto fibroso intatto di un ratto Sprague Dawley, una joint considerato come un ottimo sistema modello bioingegneria saranno dettagliati. Gli esperimenti comprenderanno la simulazione dei carichi della masticazione in condizioni idratati, al fine di sottolineare tre importanti caratteristiche del giunto come si riferiscono alla biomeccanica livello di organi. I tre punti comprendono: 1) forza reazionaria vs spostamento:spostamento dente all'interno della presa alveolare e la sua risposta reazionaria al carico, 2) tridimensionale (3D) configurazione spaziale e morfometria: relazione geometrica del dente con la presa alveolare, e 3) variazioni letture 1 e 2, a causa di un cambiamento nella asse di carico, cioè da concentrica a carichi eccentrici. Le tre letture fondamentali della tecnica proposta può essere applicata per indagare la natura adattiva giunti nei vertebrati a causa di cambiamenti di esigenze funzionali, e / o malattia. Le variazioni nelle previsioni di cui sopra, in particolare la correlazione tra i carichi reazionari con spostamento, e la conseguente carico di tempo e di carico-spostamento curve reazionari a differenti tassi di carico possono essere applicati per evidenziare i cambiamenti globali nel biomeccanica articolare. Efficacia del protocollo proposto sarà valutata mediante accoppiamento letture prove meccaniche di morfometria 3D e biomeccanica complessive del giunto.

Protocollo

Stabulazione degli animali e l'eutanasia: Tutti gli animali utilizzati in questa manifestazione sono stati alloggiati in condizioni esenti da organismi patogeni in accordo con le linee guida della cura degli animali e uso Comitato Istituzionale (IACUC) e l'Istituto Nazionale della Salute (NIH).

Fornire gli animali con lo standard hard-pellet ratto chow e ad acqua lib. Euthanize animali attraverso un metodo in due fasi di asfissia anidride carbonica, toracotomia bilaterale secondo il protocollo standard di UCSF approvato dalla IACUC. Eseguire test biomeccanico entro 24 ore di sacrificio di animali per evitare il degrado del tessuto.

1. Preparazione e dissezione di un ratto mandibola o mascella

1. Rimuovere mandibole ratto da recidere delicatamente allegati tessuto e tessuto muscolare membranose preservando tutta la mandibola, compreso il processo coronoideo e il processo condilare (Figura 1) ^15.
2. Hemimandibles separate in autoefully taglio del tessuto fibroso di sinfisi mandibolare con una lama di bisturi.
   Nota: I processi coronarici e condilari e ramo della mandibola (figura 1) devono essere rimossi se fisicamente ostacolano il test biomeccanico del molare 2 ^°.
3. Tagliare gli incisivi senza esporre la camera pulpare per non ostacolare il caricamento del molare.

2. Preparazione del campione per in situ compressione in fase di caricamento (figura 2)

1. Immobilizzare il campione su uno stub acciaio utilizzando un materiale che è significativamente più rigido del campione sperimentali prima di caricare in un dispositivo in situ di carico (Figura 2A).
   Nota: polimetilmetacrilato (PMMA) è stato usato per immobilizzare il campione in questo studio e eventuale eccedenza, è stato rimosso utilizzando un esploratore dentale.
2. Allineare la superficie occlusale del molare (s) di interesse parallelo con il disco di preparato AFM metallo con un regolo in entrambipiani (cioè mesiale-distale e vestibolo-linguale).
3. Creare una depressione con un corpo contundente che circonda i molari.
   Nota: Questo spazio dovrebbe servire come un "fossato" per contenere il liquido in eccesso e mantenere l'idratazione dei tessuti durante il caricamento in situ.
4. Preparare la superficie del dente per costruire concentrici (Figura 2B) o eccentrico (Fig. 2C) carico con un composito dentale. Incidere la superficie del dente di interesse con il 35% gel di acido fosforico sulla superficie occlusale per 15 sec.
5. Sciacquare il mordenzante accuratamente con acqua deionizzata e asciugare la superficie utilizzando una siringa ad aria / acqua o una bomboletta ad aria compressa. Con un esploratore, diffondere una goccia di collante in cuspidi aperte in uno strato sottile. Curare il composito con una luce di polimerizzazione dentale.
   Nota: Tutti i passi che coinvolgono i compositi devono essere eseguiti senza luce diretta di una lampada. Tali condizioni sarebbe indesiderabile accelerare il processo di polimerizzazione, e could impedire il corretto posizionamento del composito. L'illuminazione è accettabile.
6. Rimuovere il collante in eccesso dai denti adiacenti con un bel bisturi o lametta.
7. Posizionare fluido composito dentale sulla superficie a seguito della preparazione della superficie e diffondere nelle scanalature del molare (s) di interesse utilizzando un esploratore dentale.
8. Esporre il composito alla luce polimerizzazione dentale per 30 sec.
9. Modellare un accumulo occlusale di circa 3-4 mm utilizzando un composito di resina dentale, dal piano occlusale del molare (s) di interesse e polimerizzare per 30 sec.
10. Ridurre all'inizio della formazione di composito a una superficie piana parallela per consentire un regime loading coerente in tutti i campioni utilizzando un regolo e un manipolo ad alta velocità.
    Nota: Durante il test biomeccanico, altri campioni devono essere conservati in tris-fosfato soluzione tamponata (TBS) con 50 mg / ml di penicillina e la streptomicina ^15.

3. Caricamento Drift dispositivo eRigidità, Proprietà del materiale Differenziare Capability, in situ carico del comune Fibrosa

1. Fissare il campione con l'accumulo composito sull'incudine della fase di carico e di test per il caricamento uniforme come illustrato nella Figura 2B.
2. Inserire un carta dell'articolazione sulla superficie del composito seguita caricando il campione ad un carico finito per controllare carico concentrico o eccentrico (Figure 2B e 2C).
3. Posizionare Kimwipe TBS-imbevuto intorno al provino per garantire esemplare idratazione. Effettuare una depressione intorno al campione e riempirlo con TBS per mantenere l'organo idratato durante l'imaging.
4. Carico massimo di ingresso e velocità di spostamento nel software Deben per comprimere il molare di un carico di picco desiderato ad un tasso di spostamento a seguito immobilizzazione del emimandibola.
   Nota: letture tipiche dovrebbero includere un carico reazionaria come il materiale è compresso nel tempo (sensibilità dinamometri = 0.1N). Dal tempo di caricamento e di spostamento-tempo, una curva carico-spostamento per il materiale compresso deve essere ottenuta ^16-18. Utilizzando i dati raccolti dai cicli di carico, varie proprietà del comune può anche essere determinate. La rigidità del giunto deve essere calcolato dalla pendenza della porzione lineare (ultime 30% dei dati) della fase di caricamento del carico curva della cilindrata ^19.

4. La colorazione dei tessuti molli, il Pdl, con acido fosfotungstico (PTA)

Nota: Per aumentare il contrasto attenuazione dei raggi X, il Pdl deve essere trattata con soluzione al 5% PTA ^20.

1. Soluzione colorante Backfill PTA in un ambiente pulito da 1,8 ml in vetro carpule e mettere carpule caricato nella siringa.
2. Iniettare la soluzione lentamente (5 min / carpule) nel PDL-spazio di denti adiacenti per evitare danni strutturali ai tessuti parodontali molare di interesse circostanti.
   Nota: I passaggi di cui sopra dovrebbe be ripetuto fino a circa 5 carpule completi (9 ml) di soluzione vengono iniettati e lasciato scorrere nei tessuti circostanti. Gli esemplari prepped possono anche essere messi a bagno durante la notte nella soluzione PTA rimanente (8 ore).

5. Le impostazioni di scansione μ-XCT consigliati

Eseguire m-XCT con le seguenti impostazioni di scansione:

Obiettivo Ingrandimento	4X, 10X
	1.800 immagini
X-ray tensione del tubo	75 kVp (50 kVp per i campioni PTA macchiato)
	8 W
Tempo di esposizione	~ 8-25 sec *
	~ 4 micron (obiettivo 4X), ~ 2 micron (obiettivo 10X) **

* Tempo di esposizione può variare in base alla geometria e densità ottica del campione e X-ray tube voensione.
** Pixel di risoluzione effettiva sarà leggermente diverso in base alla configurazione della sorgente, del campione, e il rivelatore.

Risultati

Stima di carico dispositivo "gioco", "push back", rigidità, e la deriva del sistema sotto un carico costante

Backlash: Tra carico e scarico porzioni del ciclo, esiste una pausa di 3 secondi durante i quali retromarce nel motore prima vera scarico comincia, cioè come il campione si allontana dalla ganascia superiore (Figura 3). Questo periodo viene indicato come un gioco nel sistema, che rappresenta un intervallo di tempo quando il s...

Discussione

Il primo passo per stabilire questo protocollo coinvolto valutare la rigidità del telaio di carico utilizzando un corpo rigido. Sulla base dei risultati, la rigidità era significativamente superiore che consente l'utilizzo del dispositivo di caricamento per ulteriori test di campioni con valori di rigidezza significativamente più bassi. Il secondo passo evidenziato la capacità dello strumento di distinguere diversi valori di rigidità utilizzando due fasi della curva carico-scarico generati utilizzando un corpo rigid...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Bard Parker Blade	BD	MEDC-001054
Disco in metallo AFM	Ted Pella	16218
Polimetilmetacrilato	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
Carta articolata	Parkell Inc.
Acido Fosfotungstico	Sigma Aldrich	HT152