In situ drukbelasting en Correlatieve Niet-invasieve beeldvorming van de Bone-parodontale ligament-tooth Stapel Joint

Samenvatting

In deze studie wordt het gebruik van een in situ laadinrichting in combinatie met micro-X-ray tomografie vezelachtige gemeenschappelijke biomechanica besproken. Experimentele uitlezingen identificeerbaar met een totale verandering in joint biomechanica omvatten: 1) reactionaire kracht versus verplaatsing, namelijk tand verplaatsing binnen de alveolaire stopcontact en de reactionaire reactie op belasting, 2) drie-dimensionale (3D) ruimtelijke configuratie en morfometrie, dwz geometrische relatie van de tand met de alveolaire aansluiting en 3) veranderingen in uitlezingen 1 en 2 door een verandering in lading as, dwz concentrische of excentrische belastingen.

Samenvatting

Deze studie toont een roman biomechanica testprotocol. Het voordeel van dit protocol omvat het gebruik van een in situ laadinrichting gekoppeld met een hoge resolutie röntgenmicroscoop, waardoor visualisatie van inwendige constructiedelen onder gesimuleerde fysiologische belastingen en natte omstandigheden. Experimentele exemplaren zal intact bot-parodontale ligament (PDL)-tand vezelige gewrichten. De resultaten zullen illustreren drie belangrijke eigenschappen van het protocol als ze kunnen worden toegepast op orgel niveau biomechanica: 1) reactionaire kracht versus verplaatsing: tand verplaatsing binnen de alveolaire stopcontact en haar reactionaire reactie op het laden, 2) drie-dimensionale (3D) ruimtelijke configuratie en morfometrie: geometrische relatie van de tand met de alveolaire aansluiting en 3) veranderingen in uitlezingen 1 en 2 door een verandering in lading as, namelijk van concentrisch met excentrische belastingen. Werkzaamheid van het voorgestelde protocol zal geëvalueerd worden door het koppelen van mechanisch testing aanwijzingen naar 3D morfometrie en de algehele biomechanica van het gewricht. Daarnaast zal deze techniek de nadruk leggen op de noodzaak om de experimentele condities in evenwicht, met name reactionaire lasten vóór het verwerven tomograms van vezelig gewrichten. Opgemerkt wordt dat de voorgestelde protocol beperkt tot testen monsters onder ex vivo omstandigheden en dat het gebruik van contrastmiddelen zachte weefsel mechanische respons visualiseren kan leiden tot verkeerde conclusies weefsel en orgaan-niveau biomechanica.

Inleiding

Verschillende experimentele methoden verder worden gebruikt om de biomechanica van diarthrodial en vezelig gewrichten onderzoeken. Methoden voor de tand orgel biomechanica omvatten het gebruik van rekstrookjes ^1-3, Photoelasticity methoden ^{4, 5,} Moire interferometrie ^{6, 7,} elektronische spikkelpatroon interferometrie ^8, en digital image correlation (DIC) ^9-14. In deze studie, de innovatieve aanpak omvat invasieve beeldvorming met röntgenstraling om de interne structuur van een vezelig gezamenlijke bloot (gemineraliseerde weefsels en hun interfaces bestaan ​​uit zachter zones en interfacing weefsels zoals gewrichtsbanden) tegen belasting gelijk aan de in vivo omstandigheden. Een in situ laadinrichting gekoppeld met een micro-röntgenmicroscoop wordt gebruikt. De belasting-tijd en de belasting-verplaatsing curves worden verzameld als de molaire van belang in een vers geoogste rat hemi-onderkaak wordt geladen. De main doel van de in deze studie benadering is het effect van driedimensionale morfologie van tand-been benadrukken door aandoeningen vergelijking op: 1) nullast en bij belasting, en wanneer 2) concentrisch en excentrisch geplaatst. Waardoor de noodzaak voor gesneden exemplaren, en experimenten uit te voeren op geheel intacte organen onder natte omstandigheden zal zorgen voor maximaal behoud van de 3D spanningstoestand. Dit opent een nieuw gebied van onderzoek in het begrijpen van onder verschillende laad-scenario dynamische processen van het complex.

In deze studie, de methoden voor het testen van PDL biomechanica binnen een intacte vezelachtige gewricht van een Sprague Dawley rat, een gezamenlijk beschouwd als een optimale biotechniek modelsysteem, zal worden opgenomen. Experimenten zal simulatie van kauwen lasten onder gehydrateerd voorwaarden om tot drie belangrijke kenmerken van het gewricht te benadrukken als ze betrekking hebben op orgel niveau biomechanica. De drie punten zijn onder andere: 1) reactionaire kracht versus verplaatsing:tand verplaatsing binnen de alveolaire stopcontact en de reactionaire reactie op belasting, 2) drie-dimensionale (3D) ruimtelijke configuratie en morfometrie: geometrische relatie van de tand met de alveolaire aansluiting en 3) veranderingen in uitlezingen 1 en 2 door een verandering in laden as, dwz van concentrische naar excentrische belastingen. De drie fundamentele uitlezingen van de voorgestelde techniek kan worden toegepast op de adaptieve aard verbindingen in vertebraten ofwel te wijten aan veranderingen in functionele eisen en / of ziekte. Veranderingen in bovengenoemde uitlezingen bijzonder de correlatie tussen reactionaire belastingen met verplaatsing en verkregen reactionaire load-tijd en load-verplaatsingscurven bij verschillende beladingsgraad kan op algemene wijzigingen in joint biomechanica markeren. Werkzaamheid van het voorgestelde protocol zal geëvalueerd worden door het koppelen van mechanische testen aanwijzingen naar 3D morfometrie en de algehele biomechanica van het gewricht.

Protocol

Stalruimte en euthanasie: Alle dieren die worden gebruikt in deze demonstratie werden gehuisvest onder kiemvrije omstandigheden in overeenstemming met de richtlijnen van de Institutional Animal Care en gebruik Comite (IACUC) en het National Institute of Health (NIH).

Zorg voor dieren met een standaard harde-pellet rattenvoer en water ad lib. Euthanaseren dieren via een twee-staps methode van kooldioxide stikken, bilaterale thoracotomie in overeenstemming met het standaard protocol van UCSF zoals goedgekeurd door IACUC. Voer biomechanische testen binnen 24 uur van dierenoffers om weefsel degradatie te voorkomen.

1. Voorbereiding en Dissectie van een Rat Kaak of Maxilla

1. Verwijder onderkaken rat door voorzichtig doorsnijden membraneuze weefsel en spierweefsel bijlagen behoud van de gehele onderkaak, inclusief coronoideus proces en condylaire werkwijze (figuur 1) ^15.
2. Aparte hemimandibles met de autoefully snijden van het bindweefsel van de onderkaak symphysis met een scalpel.
   Opmerking: De coronaire en condylaire processen en ramus van de onderkaak (figuur 1) worden verwijderd als ze fysiek biomechanische testen van de ^2e molaire belemmeren.
3. Snijd de snijtanden zonder dat de pulpakamer niet te laden van de molaire belemmeren.

2. Specimen Voorbereiding voor in situ drukbelasting (figuur 2)

1. Immobiliseer het monster op een stalen strook met een materiaal dat aanzienlijk stijver dan het experimentele monster vóór het laden in een in situ laadinrichting (Figuur 2A).
   Opmerking: Polymethylmethacrylaat (PMMA) werd gebruikt om het model in deze studie en overmaat immobiliseren eventuele werd verwijderd met een tandheelkundig.
2. Lijn de occlusale oppervlak van de mol (s) van belang parallel met de AFM metalen objectplaatje met behulp van een rechte rand in zowelvliegtuigen (dwz mesiale-distale en buccale-lingual).
3. Maak een trog met een stomp voorwerp rondom de kiezen.
   Opmerking: Deze ruimte dient als een "gracht" om overtollige vloeistof te bevatten en weefsel hydratatie tijdens in situ laden dienen.
4. Bereid het tandoppervlak te bouwen voor concentrische (Figuur 2B) of excentrische (figuur 2C) inladen met een tandheelkundige composiet. Ets het oppervlak van de tanden plaats met 35% fosforzuur gel op occlusale oppervlak voor 15 sec.
5. Spoel het etsmiddel grondig met gedeïoniseerd water en droog het oppervlak met behulp van een lucht / water spuit of een perslucht bus. Met een ontdekkingsreiziger, verspreid een daling van het bindmiddel in open knobbels in een dunne laag. Cure de composiet met een polymerisatielamp.
   Opmerking: Alle stappen met betrekking tot composieten moet worden uitgevoerd zonder direct licht van een lamp. Dergelijke voorwaarden zouden ongewenst versnellen het polymerisatieproces en Could voorkomen juiste plaatsing van de composiet. Verlichting is aanvaardbaar.
6. Verwijder overtollig bindmiddel van de aangrenzende tanden met een fijne scalpel of scheermesje.
7. Plaats vloeibaar tandheelkundige composiet op het oppervlak na de bereiding van het oppervlak verspreiden in de groeven van de molaire (s) plaats via een tandheelkundig.
8. Expose de composiet polymerisatielamp gedurende 30 sec.
9. Mold een occlusale opbouw van ongeveer 3-4 mm met behulp van een tandheelkundige composiet, van het occlusale vlak van de mol (s) van belang en licht gedurende 30 sec.
10. Verminder de top van de composiet opbouw op een plat oppervlak en evenwijdig aan een consistent laad regeling in alle exemplaren in staat met behulp van een rechte rand en een hoge snelheid handstuk.
    Opmerking: Tijdens biomechanisch onderzoek moeten andere monsters worden opgeslagen in tris-fosfaat-gebufferde oplossing (TBS) met 50 mg / ml penicilline en streptomycine ^15.

3. Laadinrichting Drift enStijfheid, Materiaal Property Onderscheidende Capability, in situ Laden van de Stapel-Joint

1. Bevestig het monster met de samengestelde opbouw op het aambeeld van het laden fase en test gelijkmatige belasting zoals weergegeven in figuur 2B.
2. Een scharnierende papier op het oppervlak van de samengestelde gevolgd door het laden van het monster tot een eindige lading te controleren op concentrische of excentrische belasting (figuren 2B en 2C).
3. Plaats TBS-doordrenkte Kimwipe rond het monster tot monster hydratatie te waarborgen. Maak een dal rond het model en vul het met TBS om het orgel gehydrateerd tijdens de beeldvorming te houden.
4. Input piekbelasting en verplaatsing tarief in de Deben software om de molaire comprimeren tot een gewenste piekbelasting bij een verplaatsing tarief na immobilisatie van de hemimandible.
   Opmerking: Typisch readouts moet een reactionaire last nemen als het materiaal wordt samengeperst in de tijd (beladingstransducer gevoeligheid = 0,1N). Van load-tijd en verplaatsing-tijd, moet een belasting-verplaatsing curve voor het geperste materiaal worden verkregen ^16-18. De vanuit het laadcycli gegevens kunnen diverse eigenschappen van de verbinding worden bepaald. De stijfheid van de verbinding worden berekend door de helling van het lineaire gedeelte (ongeveer de laatste 30% van de gegevens) van de oplaadfase van de belasting versus verplaatsing curve ^19.

4. Kleuring van zacht weefsel, de PDL, met fosfowolfraamzuur (PTA)

Opmerking: Om X-ray demping contrast verbeteren, moet de PDL worden gekleurd met 5% PTA oplossing ^20.

1. Backfill PTA kleuring oplossing in een schone 1,8 ml glazen carpule en plaats geladen carpule in spuit.
2. Injecteren oplossing langzaam (5 min / carpule) in de PDL-ruimte van de aangrenzende tanden naar structurele schade aan parodontale weefsels rond molaire van belang te voorkomen.
   Opmerking: De bovenstaande stappen moet be herhaald tot ongeveer 5 vol carpules (9 ml) oplossing geïnjecteerd en toegestaan ​​te stromen in de omringende weefsels. De geprepareerde exemplaren kan ook 's nachts worden geweekt in de resterende PTA oplossing (8 uur).

5. Aanbevolen μ-XCT Scaninstellingen

Voer m-XCT met de volgende scaninstellingen:

Doelstelling Vergroting	4X, 10X
	1800 beelden
X-ray tube voltage	75 kVp (50 kVp voor PTA gekleurd monsters)
	8 W
Exposure Time	~ 8-25 sec *
	~ 4 micrometer (4X doelstelling), ~ 2 micrometer (10X objectief) **

* Belichtingstijd kunnen variëren op basis van de geometrie en de optische dichtheid van het monster en de röntgenbuis voltage.
** Werkelijke pixelresolutie enigszins afwijken basis van de configuratie van de bron monster en detector.

Resultaten

Schatting van het laden apparaat "terugslag", "pushback", stijfheid, en het systeem drift onder een constante belasting

Backlash: Tussen laden en lossen delen van de cyclus bestaat er een pauze van 3 seconden gedurende welke versnellingen achteruit in de motor voordat ware lossen begint, dwz als het monster trekt weg van de bovenkaak (figuur 3). Deze periode wordt aangeduid als een speling in het systeem, dat een...

Discussie

De eerste stap bij het vaststellen van dit protocol betrokken evaluatie van de stijfheid van de laadbrug door een star lichaam. Op basis van de resultaten, de stijfheid significant hoger waardoor het gebruik van de laadinrichting voor het verdere testen van specimens met aanzienlijk lagere stijfheid waarden. De tweede stap gewezen op de mogelijkheid van het instrument om verschillende stijfheid waarden onderscheiden door twee fasen van de laad-lossen kromme gegenereerd door een star lichaam, PDMS materialen van verschil...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Bard Parker Blade	BD	MEDC-001054
AFM metal disk	Ted Pella	16218
Polymethyl methacrylate	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
Articulating paper	Parkell Inc.
Phosphotungstic Acid	Sigma Aldrich	HT152