Questo studio ha stabilito un modello di difetto semisegmentale femorale nel ratto per valutare le prestazioni meccaniche e osteogeniche dei materiali sostitutivi ossei in condizioni portanti, senza l'uso di fissazioni interne o esterne.
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Questo studio ha stabilito un modello di difetto semisegmentale femorale nel ratto per valutare le prestazioni meccaniche e osteogeniche dei materiali sostitutivi ossei in condizioni portanti, senza l'uso di fissazioni interne o esterne.
Una valutazione preclinica accurata dei materiali sostitutivi ossei richiede modelli che non solo supportino la rigenerazione tissutale, ma riflettano anche le sfide meccaniche delle condizioni fisiologiche portanti. Tuttavia, la maggior parte dei modelli convenzionali di difetti ossei animali non funziona sotto questo aspetto. Ad esempio, i modelli di difetti calvariali, sebbene ampiamente utilizzati, vengono creati in regioni non portanti. Analogamente, i difetti di perforazione o parziali nelle ossa lunghe si concentrano principalmente sulla guarigione localizzata, mancando di un trasferimento di carico sufficiente per valutare il supporto meccanico. Questo studio ha stabilito un modello standardizzato di difetto diafisario diasario semisegmentale nel femore del ratto per valutare sia le prestazioni meccaniche che biologiche dei materiali sostitutivi ossei in un contesto portante senza l'uso di dispositivi di fissazione. Utilizzando un portamani ad alta velocità e una bura dentale cilindrica specializzata, fu creato un difetto semicilindrico lungo 4 mm e raggio di 1,5 mm nel fascicolo centrale laterale del femore. Due materiali rappresentativi con proprietà distinte — gelatina metacriloile (GelMA) idrogel e polimetil metacrilato stampato in 3D (3DP-PMMA) — sono stati impiantati per validare la capacità del modello di differenziare le proprietà meccaniche dei materiali. Analisi radiografiche, istologiche e immunofluorescenti effettuate a 4 settimane dall'impianto hanno rivelato che, a causa di un supporto meccanico inadeguato, l'impianto di GelMA ha portato a una malunione con predominanza di tessuto fibroso e a integrazione ossea limitata. Al contrario, il 3DP-PMMA facilitò l'organizzazione della formazione di nuove ossee, la continuità periostale e il reclutamento di cellule di tipo piezosensibile meccanosensibile al componente 1 del canale ionico (Piezo1+) e di cellule che esprimono il recettore della leptina (LepR+). Questo modello fornisce una piattaforma pratica e riproducibile per valutare la capacità portante, l'osteoinduttività e il potenziale di osseointegrazione dei biomateriali. Può essere uno strumento prezioso per selezionare i materiali candidati per applicazioni ortopediche, come la ricostruzione delle ossa lunghe o la riparazione di fratture.
In condizioni fisiologiche, l'osso svolge un ruolo centrale nel mantenimento dell'integrità strutturale e della funzione meccanica del corpo. Sostiene il peso corporeo, consente il movimento e protegge gli organi interni. Quando l'osso viene danneggiato a causa di traumi, resezione tumorale o infezione, specialmente nelle aree portanti, la continuità meccanica viene interrotta. Questa interruzione spesso porta a complicazioni come deformità ossee, mobilità ridotta, instabilità degli arti, dolore cronico e persino problemi potenzialmente letali dovuti a fratture gravi edemorragie 1,2. Oggigiorno, sostituti ossei come l'innesto osseo e i biomateriali sono stati applicati clinicamente per sostituire tessuto osseo gravemente danneggiato o ripristinare difetti ossei su larga scala. Analogamente, per i sostituti ossei impiantati, le loro prestazioni meccaniche compromesse possono portare a un fallimento dell'impianto, con conseguente fratture non unite o addirittura catastrofiche nel sito deldifetto 3,4. Per ripristinare sia la struttura che la funzione, i materiali sostitutivi ossei devono non solo promuovere la rigenerazione ossea, ma anche possedere sufficiente resistenza meccanica per resistere al caricofisiologico 5.
Un passaggio cruciale prima della traduzione clinica è la valutazione realistica se un biomateriale, una volta impiantato in vivo, possa soddisfare le esigenze meccaniche richieste per il supporto strutturale nelle regioni ossee portanti. Sebbene molti biomateriali abbiano mostrato potenzialità in vitro o in modelli piccoli e non portanti, la loro traduzione nella pratica clinica è spesso ostacolata dalla mancanza di modelli preclinici affidabili che simulino condizioni meccaniche in vivo. I modelli animali attualmente utilizzati per gli studi sui difetti ossei includono i difettimandibolari 6, i difetticalvariari 7, i difetti dei fori di perforazione nelle ossalunghe 8, le cavità post-estrazione9, e così via. Questi modelli valutano principalmente la capacità osteogenica di un materiale e si concentrano sugli endpoint di rigenerazione istologica oradiografica 10,11. Tuttavia, considerando che questi siti sono o non portanti o meccanicamente protetti, non riescono a replicare le condizioni di stress dinamico riscontrate nelle ossalunghe 12. Anche quando le proprietà meccaniche vengono testate con tecniche in vitro come saggi compressivi o di resistenza alla trazione, queste non riescono a replicare il carico dinamico e le interazioni tissutali dell'ospite insite negli ambienti invivo 13.
Una delle principali lacune nella ricerca preclinica rimane l'assenza di un modello animale standardizzato e riproducibile che consenta la valutazione meccanica in vivo dei sostituti ossei in condizioni portanti. Per affrontare questo problema, lo studio attuale ha stabilito un modello semisegmentale di difetto osseo diafisario nei ratti. Questo modello fornisce un sito di difetto stabile e riproducibile in una regione portante, consentendo una valutazione diretta della capacità di supporto meccanico dei materiali sostitutivi ossei sotto carico fisiologico, consentendo contemporaneamente la valutazione degli esiti osteogenici. Inoltre, il modello può essere applicato a varie specie animali, con dimensione e posizione dei difetti adattate a seconda dell'animale specifico utilizzato. Tuttavia, non replica completamente l'ambiente biomeccanico complesso delle ossa umane e, per studi focalizzati esclusivamente su difetti non portanti, guarigione dell'osso cranico o impianti strutturali molto grandi, modelli alternativi potrebbero essere più appropriati.
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Tutte le procedure animali condotte in questo studio sono state approvate dal Comitato Etico della West China School of Stomatology, Università del Sichuan (WCHSIRB-AT-2025-342). I maschi di ratti Sprague-Dawley (180 g ciascuno) sono stati ottenuti da una fonte commerciale e assegnati casualmente a due gruppi (n = 6 per gruppo) in base al materiale impiantato. I reagenti e le attrezzature utilizzate sono elencati nella Tabella dei Materiali.
1. Preparazione preoperatoria
2. Procedura chirurgica
3. Cure post-operatorie
4. Raccolta di campioni e dati
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In questo studio, il modello di difetto osseo diafisario semi-segmentale nei ratti è stato stabilito forando un difetto lungo 4 mm e raggio di 1,5 mm al centro del femore con una bura diamantata cilindrica specifica a estremità piatta (Figura 2A). Per dimostrare la capacità del modello di testare le prestazioni meccaniche e biologiche dei materiali, abbiamo stabilito due gruppi di confronto, con difetti impiantati con idrogel GelMA o 3DP-PMMA (
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Oltre alle proprietà ampiamente enfatizzate di osteoinduttività, osteointegrazione ebiocompatibilità 5, la reattività meccanica e la capacità portante dei sostituti ossei sono altrettanto vitali, in particolare per riparare difetti nelle ossa portanti22. Le valutazioni convenzionali delle prestazioni meccaniche si basano tipicamente su metodi in vitro, come macchine di prova universali, test a compressione o analisi della resistenz...
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Tutti i dati e le immagini originali sono inclusi in questo articolo. Gli autori dichiarano di non esserci conflitti di interesse.
Questo studio è stato sostenuto dalla Natural Science Foundation della provincia del Sichuan (2025ZNSFSC0754).
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Soluzione iodoforica al 2% | Chengdu Jinshan Chemical Reagent Co., Ltd. | Nessuna | |
| Polimetilmetacrilato stampato in 3D (3DP-PMMA) | Gentilmente fornito dal College of Polymer Science and Engineering dell'Università del Sichuan | Nessuna | |
| 4% di paraformaldeide | Biosharp | BL539A | |
| 75% etanolo | Chengdu Jinshan Chemical Reagent Co., Ltd. | Nessuna | |
| Palline di cotone | Haishi Hainuo Group Co., Ltd. | Nessuna | |
| Bastoncini di cotone | Lakong Medical Devices Co., Ltd. | Nessuna | |
| Soluzione di colorazione DAPI | Beyotime | Cat#C1005 | |
| Bisturi sterile usa e getta | Hangzhou Huawei Medical Supplies Co., Ltd. | 20100227 | |
| Gelatina metacriloile idrogel (GelMA) | Gentilmente fornito dal College of Polymer Science and Engineering dell'Università del Sichuan | Nessuna | |
| GelMA 20% | Cellink | IKG125000005 | |
| Capra Anti-Topo IgG H & L (Alexa Fluor e reg; 594) | Abcam | ab150116 | |
| Capre Anti-Coniglio IgG H & L (Alexa Fluor e reg; 488) | Abcam | ab150077 | |
| Kit per colorazioni di ematossilina ed eosina | Biosharp | C1005 | |
| Portamano ad alta velocità | Foshan SCS Medical Instrument Co., Ltd. | 9018499000 | |
| Ago per irrigazione | Sichuan New Century Medical Polymer Products Co., Ltd. | Nessuna | |
| Masson' s Trichrome Stain Kit | Solarbio | G1340 | |
| Tessuti medici non tessuti | Henan Yadu Industrial Co., Ltd. | Nessuna | |
| Tessuti medici non tessuti | Henan Yadu Industrial Co., Ltd. | Nessuna | |
| Tomografia microcomputerizzata (& micro; CT) | Scanco Medical AG | μ CT 45 | |
| Mimics 20.0 per immagini trasversali (funzione di rifatto) | Materialise | Nessuna | |
| Portaaghi | Chengdu Shifeng Co., Ltd. | Nessuna | |
| Anticorpo Ob-R/Anticorpo del recettore della leptina (B-3) | Santa Cruz | SC-8391 | |
| Sistema di scansione di vetrine intera di grado Olympus Research VS200 | Chengdu Knowledge Technology Co., Ltd | VS200 | |
| Ascensore periostale | Chengdu Shifeng Co., Ltd. | Nessuna | |
| Anticorpo PIEZO1 | Novus | NBP1-78446 | |
| Soluzione salina | Sichuan Kelun Pharmaceutical Co., Ltd. | Nessuna | |
| Software di visualizzazione medica Scanco per la ricostruzione di immagini 3D (script predefiniti) | Scanco Medical AG | Nessuna | |
| Broca diamantante dentale specifica (TF-22/170-021m/845-021m) | Azienda di Materiali Dentali Diantong | Nessuna | |
| Ratti Sprague-Dawley | Byrness Weil Biotech Ltd | Nessuna | |
| Forbici dritte | Chengdu Shifeng Co., Ltd. | Nessuna | |
| Motore chirurgico | MARATONA | N3-140232 | |
| Suture chirurgiche (monofilamento 4-0) | Hangzhou Huawei Medical Supplies Co., Ltd. | Nessuna | |
| Calibro vernier | Gastronomia | DL91150 |
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