Een verbeterde mechanische testmethode te beoordelen Bone-implantaat Anchorage

Samenvatting

Een verbeterde methode om te testen botverankeringsmiddel mechanisch kandidaat implantaatoppervlakken wordt gepresenteerd. Deze werkwijze maakt aanpassing van de verstoring kracht, loodrecht of parallel aan het vlak van het oppervlak van het implantaat, en een nauwkeurige manier om de verstoring krachten over naar een exacte peri-implantaat regio.

Samenvatting

Recente ontwikkelingen in de materiaalkunde heeft geleid tot een aanzienlijke toename van de complexiteit van topografische implantaat oppervlakken, zowel op micro-en nano-schaal. Als zodanig, de traditionele methoden van het beschrijven implantaatoppervlakken - namelijk numerieke determinanten van oppervlakteruwheid - ontoereikend zijn voor het voorspellen van in vivo prestaties. Biomechanische proeven een nauwkeurige en vergelijkende platform om de prestaties van biomateriaal oppervlakken analyseren. Een verbeterde mechanische testen methode om de verankering van het bot te testen om kandidaat implantaatoppervlakken wordt gepresenteerd. De methode is van toepassing op zowel vroege als latere stadia van genezing en kan worden gebruikt voor een reeks chemisch of mechanisch werd gemodificeerd oppervlakken - maar niet gladde oppervlakken. Aangepaste rechthoekige implantaten worden bilateraal in de distale femur van mannelijke Wistarratten geplaatst en verzameld met het omliggende bot. Proefstukken worden voorbereid en opgepot behulp van een nieuwe kopgroep schimmel en de verstoringtest wordt uitgevoerd met een mechanische tester. Deze werkwijze maakt aanpassing van de verstoring kracht, loodrecht of parallel aan het vlak van het oppervlak van het implantaat, en een nauwkeurige en reproduceerbare wijze voor het isoleren van een exacte peri-implantaat regio testen.

Inleiding

Het beoordelen van verankering van bot enossale implantaatoppervlakken is de focus van veel aandacht geweest, waarvoor veel mechanische testmethoden zijn beschreven ^1,2. Al deze methoden op te leggen een kracht op het bot / implantaat model in dienst verstoren, en kan grofweg worden ingedeeld in afschuiving, meestal gepresenteerd als push-out of pull-out modellen ^3,4, omgekeerde koppel ^3,5 en soorten ^{trek-6, 7.} Gewoonlijk in dergelijke tests, hetzij bot ⁸ of implantaatmateriaal (bij brosse glazen en keramiek ^9,10) wordt gebroken en, uitgaande van een vorm van verankering heeft plaatsgevonden, het bot / implantaat grensvlak blijft (althans gedeeltelijk) intact. Deze experimentele resultaten betekent niet alleen dat de kracht die nodig is om de breuk (of verstoring) van het model veroorzaakt niet de kracht vereist om het bot / implantaat grensvlak scheiden ^11,12, maar ook dat het complexe oppervlak van de gemaakte breukvlak kan zijn ongevoelignauwkeurige meting. Toch kunnen dergelijke tests zijn klinisch relevant, aangezien ze een vergelijkende meter van het vermogen van de implantaten van verschillende dessins in bot te worden verankerd. Er moet echter ook worden opgemerkt dat dergelijke vergelijkingen zijn alleen geldig binnen een experimenteel model, terwijl vergelijkingen tussen experimentele modellen zijn uiterst moeizaam, omdat de onderzoekers maken gebruik van verschillende diersoorten vertonen ofwel lamellair of geweven bot; trabeculair of corticale bot genezing modellen en verschillende mechanische Testgeometrieën en voorwaarden.

In een poging om een ​​meting van de treksterkte van het bot / implantaat grensvlak leiden, hebben vele onderzoekers het nominale oppervlak van het implantaat gebruikt om een ​​"treksterkte" waarde te berekenen, aangezien treksterkte gemeten als kracht per oppervlakte-eenheid. Dit is duidelijk een benadering gegeven, zoals hierboven uiteengezet, dat het bot / implantaat grensvlak blijft intact in veel van de verstoring proeven diensted.. Bovendien meet de oppervlakte van implantaten, vooral topografisch complexe oppervlakken, wordt beperkt door de resolutie van de meettechniek zoals besproken door Ronald et al.. ¹³ Zoals beoordeeld door Brunski et al.. ^2, wanneer het nominale oppervlak van een implantaat rekening gehouden worden duidelijke verschillen in "treksterkte" in verband met verschillende implantaat oppervlakteontwerpen ontkend, suggereert dat implantaat oppervlakken groter oppervlaktegebied groter contactvlakken bot / implantaat en vereisen dus meer kracht om het model breken. De implicatie is dan ook dat meer topografisch complexe oppervlakken contact osteogenese, waardoor een beter contact botimplantaat (BIC) verhoogt en voortkomende hogere verstoring waarden in mechanische testen. Contact osteogenesis is het product van twee verschillende fenomenen: osteoconductie en botvorming. Inderdaad hebben we aangetoond dat verhogingen van osteoconductie op topograaftisch complexe oppervlakken kunnen worden gekwantificeerd door het meten van de resulterende BIC ^14, en dat dergelijke oppervlakken eveneens tot hogere mechanische verbreking waarden ^12.

Het is echter heilzaam te merken dat de peri-implantaat bot kan vormen door twee mechanismen. In contact osteogenesis cellen van mesenchymale oorsprong migreren naar het oppervlak van het implantaat (osteoconductie), differentiëren tot botcellen, en werken de novo bot matrix op het oppervlak van het implantaat (botaanmaak). De eerste benige matrix uitgewerkt is een gemineraliseerd cement lijn zoals te zien in normaal bot remodeling ¹⁵ (er is veel verwarring in de literatuur over dit gemineraliseerde biologische structuur die soms wordt gedacht un-gemineraliseerde ¹ of wordt syncretiseerden met alle interfaces in bot ¹⁶ te zijn - voor een volledige bespreking over dit onderwerp zie Davies en Hosseini ^17). Contact osteogenesis is een essentiële voorwaarde voor het fenomeen van het bot-Binding, maar is niet essentieel voor botingroei ^18. De gemineraliseerde cement lijn van het bot is mechanisch zwakker dan de gemineraliseerde collageen compartiment van bot ^19. Aldus, intuïtief, indien de interdigitatie van cementlijnmatrix implantaat met nano eigenschappen vergeleken met botweefsel groei in macro implantaat functies dan de mechanische kracht vereist om de eerstgenoemde zou verstoren, redelijkerwijs worden verwacht minder dan de laatste, en we heb dit onlangs aangetoond experimenteel ^12.

Peri-implantaat bot kan ook vormen op afstand osteogenesis. In dit geval wordt bot afgezet op de oude botoppervlak en wordt steeds dichter bij het ​​oppervlak implantaat waardoor interface omvattende amorfe matrix en de resten van osteogene cellen ^20. In het algemeen is de afstand osteogenese geassocieerd met gladde of machinaal, enossale implantaat oppervlakken en wordt vaak gezien in corticale botgenezing, terwijl microtopographically complexe oppervlakken zijn gekoppeld contact osteogenesis die meer kenmerkend trabeculair botgenezing. Trekproef-modellen met gladde oppervlakken en corticaal implantaat botgenezing in staat om de hechting van deze amorfe biologische matrix afwezigheid van contact osteogenese geassocieerd met topografisch complexe oppervlakken testen, en hebben aangetoond dat de zogenaamde "biochemische" binding die optreedt geeft een ondergeschikte component van de "treksterkte" gerapporteerde waarden met topografisch complexe oppervlakken ^21. Integendeel, met een trabeculair botgenezing model, Wong et al.. ²² toonde "een uitstekende correlatie" tussen implantaat oppervlakteruwheid en push-out breukbelasting en aangegeven dat chemische binding een verwaarloosbare rol verankering been inderdaad gespeeld om het implantaat oppervlak. Hoewel het waarschijnlijk is dat zowel contact en afstand osteogenesis optreden, in verschillende mate, in alle enossale peri-Implant genezing compartimenten, microtopographically complexe oppervlakken hebben aangetoond zich bijzonder voordelig in trabeculair bot genezing compartimenten ^23. Deze laatste worden geclassificeerd als klasse III of klasse IV bot in de tandheelkundige literatuur ^24.

Ons doel is om zich te concentreren op de mechanismen van contact osteogenesis en de resulterende bot / implantaat verankering die kan ontstaan ​​in een trabeculair bot healing environment. Deze ankerplaats, die afhankelijk is van de topografie van het oppervlak van het implantaat (zie hierboven), kan op verschillende schaal-reeksen. Enerzijds worden alleen submicron implantaat functies betrokken bij botbindende - zoals beschreven door interdigitatie van de benige cementlijnmatrix met dergelijke oppervlakken, en gezien op bioactieve glazen, keramiek en reticulaire metaaloxiden. Aan de andere, botweefsel (soms compleet met bloed vaatstelsel) kunnen uitgroeien tot multi-micron, of macro-schaal, kenmerken van het implantaat oppervlakken ^18. Beide gevallen result in de vorm van botverankeringsmiddel het implantaat oppervlak, hoewel de mechanismen duidelijk verschillend. Een gemeenschappelijk falen van de meeste mechanische testmethoden hierboven verwezen is de verstoring kracht in een nauwkeurig loodrecht of evenwijdig vlak afstemmen op die van het oppervlak van het implantaat (naargelang trek-of afschuifmodus wordt toegepast). Wij rapporteren hierin een methode die deze beperking overwint.

Protocol

1. Implantaat ontwerp, fabricage, en Oppervlaktebehandeling

1. Fabricage rechthoekige implantaten (afmetingen 4 mm x 2,5 mm x 1,3 mm, lengte x breedte x hoogte) van commercieel zuiver titanium (CpTI). Boor een gat centraal langs de lengteas van het implantaat (diameter = 0,7 mm) vroege stabiliteit van het implantaat binnen het chirurgisch en daaropvolgende mechanische testen (figuur 1) te vergemakkelijken.
2. Behandel de bovenste en onderste oppervlakken van het implantaat.
   1. Twee verschillende oppervlakken te creëren, gebruik dan een standaard gritstralen (GB) behandeling een microtopographically complexe oppervlak te creëren. Verdere helft van de implantaten te wijzigen door superpositie van calciumfosfaat (GLB) nanodeeltjes een nanotopographically complexe oppervlak te creëren.

Opmerking: Diverse chemische of mechanische behandeling kan worden aangebracht op een gewenst oppervlak topografie en / of chemie, en deze zullen afhangen van de aard van de experimentele Questiaan de orde. In het voorbeeld dat hierin voorzien, een groep van commercieel zuiver titanium (CpTI) implantaten werd onderworpen aan gritstralen (GB) - een subtractieve proces - om een ​​complex microtopografie creëren. De helft van de implantaten werden vervolgens verder gemodificeerd door de toevoeging van calciumfosfaat (CaP) nanokristallen een gesuperponeerde nanotopography (GB-DCD) creëren.

Opmerking: Bij het bekijken van het grit gestraald micro-oppervlak, vergeleken met de nanopartikels oppervlak bij 10.000 x vergroting, er geen duidelijk verschil in oppervlakte-eigenschappen. Echter, wanneer bekeken bij 100.000 X vergroting, verschillen worden heel duidelijk (Figuur 2). Het is eerder aangetoond dat een dergelijk oppervlak veranderingen diepgaande gevolgen hebben voor osteoconductie ^14.

2. Animal Model en chirurgische procedure

1. Gebruik jonge mannelijke Wistarratten (200-250 g) voor dit model. Alle procedures moeten door de lokale dierenverzorgers com worden goedgekeurdcomites. Zodat de dieren vrije toegang tot water en rattenvoer.
   Opmerking: Wistar-ratten werden voor deze procedure door eerdere ervaring met deze stam van ratten, hoewel andere stammen van ratten kunnen worden gebruikt. De toegang tot voedsel en water kan worden gewijzigd, afhankelijk van de aard van de experimentele vraag aangepakt.


2. Bezadigde ratten met behulp van inhalatie-anesthesie toegediend via een neus kegel: 4% isofluraan in 1 LO ₂ / min voor inductie, 2% isofluraan in 1 L lachgas en 0,6 LO ₂ / min voor onderhoud. Voer een standaard teen-snuifje test om effectieve sedatie zorgen voordat u verder gaat met de procedure.
3. Dien analgetische pre-en postoperatief langs een subcutane injectie van 0,01-0,05 mg / kg buprenorfine.
4. Implantaten toewijzen door gedeeltelijke randomisatie en plaats bilateraal in de distale metafysen van dijbenen rat. Hierdoor kan een ander implantaat, een uit een selectie van verschillende oppervlak topografieën te vergelijkend, in contralaterale dijbenen, om middels statistische analyse te optimaliseren.
5. Bereid de dieren door het scheren en schoonmaken van de anterolaterale aspect van elke achterpoot met 10% Betadine. Om onderkoeling te voorkomen, plaatst u een warm watercirculatie pad onder de verdoofde rat.
6. Met behulp van een # 15 chirurgisch scalpel een incisie door de huid langs de laterale aspect van de dij naar de spier bloot. Expose de distale femur met behulp van stompe dissectie naar de spier lichamen af ​​te buigen in een minimaal invasieve manier.
7. Schraap de dunne periosteum bovenop de dijbeen, met een periostale lift, het corticale bot volledig zichtbaar boren. Zorg moet worden genomen de groeischijf of kraakbeen van het kniegewricht niet te beschadigen tijdens stompe dissectie en verwijdering van beenvlies.
8. Eenmaal schoongemaakt en geïnspecteerd, draai het dijbeen zijkanten aan de voorste aspect van de distale femur (figuur 3A) bloot te leggen.
9. Om de operatiewond te bereiden, boor eenbicortical rechthoekige gleuf in het midden van het bot door beide cortex. Om oververhitting van het weefsel te voorkomen, moet irrigatie zoutoplossing gedurende het boren worden onderhouden door een chirurgische assistent. Voer het boren in drie fasen:
   1. Eerste, dieper in de anterior cortex, ontmaskerd door dissectie, met behulp van een 1,3 mm tandheelkundige braam bevestigd aan een tandheelkundige handstuk om twee gaten van 2,5 mm maken elkaar langs het midden van de femur.
   2. Vervolgens gebruikt u een tweede boor (twist 1.3 mm tandheelkundige braam) om deze gaten te breiden door middel van de tegenstander cortex, wat resulteert in bicortical parallel gaten.
   3. Tenslotte treden de gaten met behulp van een derde maat-side snijden braam in een proximale-distale richting, die de site voor het implantaat (Figuur 3B).
10. Laat een biologisch afbreekbare hechtdraad door het botdefect met de bevestigde naald en terug rond de buitenste femorale cortex.
11. Discussie het implantaat via vrije uiteinde van de hechtdraad en begeleiden hem in het defect, wHier moet druk gemonteerd. Op deze wijze dient de lange as van het implantaat loodrecht op de lengteas van het femur (figuur 3C).
12. Bind de hechtdraad rond de laterale aspect van het dijbeen naar implantaat stabiliteit tijdens het postoperatieve herstel en vroege stadia van genezing. Gebruik de resterende hechtdraad om het spierweefsel te sluiten, en reoppose het huidweefsel met behulp van chirurgische nietjes (9 mm wond clips).
13. Inspecteer chirurgische sites voor tekenen van infectie, en controleren dagelijks dieren voor gecompromitteerde ambulante vermogen. Sluit de dieren die niet volledig herstellen ambulantie, of die femurfracturen ten offer, uit de analyse.

3. Monster Oogsten

1. Offeren dieren in 9 dagen na de operatie door cervicale dislocatie na CO ₂ blootstelling.
2. Bij het offer, los dijbenen en schoon van zacht weefsel. Onmiddellijk op te slaan in 15% sucrose bufferoplossing om weefsel h handhavenydration ter voorbereiding mechanische testen (Figuur 4A).
   Opmerking: Monsters worden in de sucrose bufferoplossing weefsel hydratatie tijdens transport tussen faciliteiten. Exemplaren zal ongeveer 2-3 uur door te brengen in oplossing tijdens de voorbereiding van mechanische testen.


3. Om monsters te bereiden voor mechanische testen, trim het bot aan de breedte van de implantaten met een cilindrische diamantfrees bevestigd aan een hoge snelheid systeem. De laatste proefstukken bestaan ​​uit twee bogen been bevestigd aan elke zijde van het implantaat (Figuur 4B). Voor bogen die vallen tijdens de bereiding of transport, wijs een mechanische testen waarde van 0 N.
   Opmerking: Het is belangrijk om zeer zacht en nauwkeurig te zijn bij het afsnijden van de monsters, teneinde de schadelijke of voorspanstaal de interface te vermijden. Bony herstellende callus kunnen groeien rond de lengteas van het implantaat en zelfs in de overlangse opening. Dergelijke overtollige bot moet worden verwijderd door trimming exemplaren naar de exacte afmetingen van de rechthoekige implantaat, zoals het mechanische testen resultaten kunnen vertekenen.

4. Mechanische beproeving

Een aangepaste afgescheiden vorm werd ontworpen pot elk monster, het creëren van een herhaalbare en nauwkeurige methode voor het bereiden monsters voor mechanische testen. Het ontwerp zorgt voor isolatie van een 0,5 mm gebied van peri-implantaat bot voor een consistente testen zone, terwijl het monster gecentreerd en volledig horizontaal tijdens het oppotten proces, waardoor de toepassing van een kracht direct loodrecht op het oppervlak van het implantaat. Zie figuur 5 voor volledige constructietekeningen en figuur 6 voor de laatste onderdelen.

Opmerking: Gedrag alle testen met behulp van een mechanische testapparatuur, werkend met een kruiskopsnelheid van 30 mm / min. Voor een kwalitatieve beoordeling van de resterende bot na de test, kan een dissectie microscoop gebruikt.

1. Oppottenvan de monsters en mechanische testen
   1. Verwijder exemplaren uit de sucrosebuffer oplossing en voorzichtig dep droog.
   2. Positie model in de aangepaste vorm. Schuif de pen horizontaal door gaten in de wanden van de matrijs en door het gat in het midden van het implantaat. Plaats de stabiliserende plaat op de achterste zijde van de mal om het implantaat (Figuur 7) te stabiliseren.
   3. Vul de bodem van de vorm met vloeibaar tandheelkundige composieten en uitharden gedurende 60 s met een hoge intensiteit uitharden licht.
      Opmerking: Het is belangrijk om een ​​composiet die niet bezet met een exotherme reactie kiezen als zodanig warmte het weefsel eigenschappen kunnen beïnvloeden.
   4. Na het uitharden, opent de mal en verwijder de geharde preparaatwisseling. Teken een dunne zwarte lijn in permanent marker op de laterale boog voor identificatiedoeleinden.
   5. Fix een geprefabriceerde replica van het proefstuk in een bankschroef, en centreren de eenheid op basis van de mechanische testen instrument.
   6. Beveilig het specimen in ondeugd en slagen voor een nylon lijn door het gat in het implantaat (afbeelding 8). Bevestig de losse einden naar het midden van de bewegende kruiskop. Voor consistentie, altijd etiketteren en de eerste test de laterale zijde. Herhaal het proces met de mediale boog.

Resultaten

Alle dieren verhoogden hun ambulante activiteit met de tijd na hun herstel van een operatie. Dit is belangrijk omdat lading heeft verschillende effecten op topografieën van verschillende omvang bereiken, zoals we onlangs gemeld ^12. Een vergelijkingskracht / verplaatsingscurve proefstukken volgende mechanische testen wordt getoond in Figuur 9A, en de gemiddelde gegevens voor elk oppervlak van het implantaat wordt getoond in Figuur 9B. De maximale kracht waarde bereikt door elk...

Discussie

De mechanische testen hier gepresenteerde model verschaft een verbeterde werkwijze voor de verankering van bot te beoordelen om kandidaat implantaat oppervlakken, omdat een accurate loodrecht of parallel uitlijning van het monster met de as verstoring uitgeoefende kracht, en beperkt de breukzone te binnen een halve millimeter van het implantaatoppervlak. Het model wordt gemakkelijk opgenomen in de studies de effectiviteit van een reeks chemisch of mechanisch, gemodificeerde oppervlakken vergelijken, maar is niet geschik...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Dulbecco’s Phosphate Buffer solution (DPBS)	Gibco Life Technologies, Burlington, ON, Canada	14190-250
10% neutral buffered formalin solution	Sigma-Aldrich Co. LLC., Canada	HT501128-4L
Custom-designed rectangular implants (commercially pure titanium; dimensions: 4mm x 2.5mm x 1.3mm with a 0.7mm hole drilled centrally down the long axis)	Biomet 3i, FL, USA	N/A
Custom-designed breakaway mould	Biomet 3i, FL, USA	N/A
Isoflurane	Baxter Internationl Inc.	N/A
Buprenorphine	Bedford Laboratories	N/A
10% betadine	Bruce Medical, MA, US	FR-2200-90
Scalpel	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	2586-M36-0100
Scalpel blade #15 (sterile)	Magna, Medstore, University of Toronto, Canada	2586
Periosteal elevator #24G	Spectrum Surgical, OH, USA	EX7
Forceps	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	7747-A10-108
Tissue forceps	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	7722-A10-308
Scissors	Almedic, Medstore, University of Toronto	7603-A8-240
Absorbant Fabric General Purpose Drape (sterile)	Vitality Medical	1089
Gauze (non-sterile)	VWR	89133-260
Needles 25G X 5/8" (disposable)	BD, Canada	305122
Syringes (sterile)	VWR, Canada	CABD309653
Needle Driver	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	A17-132
Dynarex Surgical gloves (sterile)	Amazon.com	2475
Surgical masks	Fisherbrand, Medstore, University of Toronto, Canada	296360759
0.9% sterile saline	House brand, Medstore, University of Toronto, Canada	1011-L8001
Hair clippers	Remington, US	N/A
4-0 Polysorb	Syneture	SL5627G
9mm Wound Clips	Becton Dickinson, MD, USA	427631
ImplantMED DU 900 and WS-75 dental hand piece	W&H Dentalwerk, Austria	DU1000US
1.3 mm twist drill	Brasseler, GA, USA	203.21.013
1.3 mm dental burr	Biomet 3i, FL, USA	custom
1.2 mm cylindrical side-cutting burr	Biomet 3i, FL, USA	custom
Cylindrical diamond burr	Brasseler, GA, USA	H1.21.014
High speed dental drilling system	Handpiece: KaVo Dental Corporation, IL, USA	N/A
Handpiece Control: DCI International, OR, USA
99.5% Ultra Pure sucrose	BioShop Canada Inc., Burlington, ON, Canada	57-50-1
Flowable dental composite	Filtek Supreme Ultra Flowable Restorative, 3M ESPE, St Paul, Minnesota, USA	6033XW
Sapphire Plasma Arc high intensity curing light	Den-Mat Holdings, Santa Maria, CA, USA	N/A
Instron 4301 with 1000 N load cell	Instron, Norwood, MA, USA	N/A
Leica Wild M3Z Stereozoom dissecting microscope	Leica, Heerbrugg, Switzerland	N/A
QImaging Micropublisher 5.0 RTV digital camera coupled with QCapture 2.90.1 acquisition software	QImaging, Surrey, BC, Canada	N/A
Electronic digital caliper	Fred V. Fowler Company, Inc., Newton, MA, USA	N/A
Mechanical testing instrument	Instron, Norwood, MA, USA	N/A