Ulepszona metoda badań mechanicznych do oceny zakotwiczenia implantu kostnego
10 lutego 2014
Przedstawiono ulepszoną metodę mechanicznego testowania zakotwiczenia kości na powierzchniach potencjalnych implantów. Metoda ta pozwala na wyrównanie siły rozrywającej dokładnie prostopadle lub równolegle do płaszczyzny powierzchni implantu i zapewnia dokładny sposób kierowania sił zakłócających na dokładny obszar wokół implantu.
Ogólnym celem niniejszej procedury jest ocena zakotwiczenia i stabilności nowo powstałej kości naprawczej w odniesieniu do powierzchni testowych implantów. W tym celu w pierwszej kolejności tworzy się dwie grupy niestandardowych implantów tytanowych. Jedna grupa jest poddawana standardowej obróbce strumieniowej w celu wytworzenia mikrotopografii podłoża, a druga grupa otrzymuje taką samą obróbkę strumieniową, a ponadto nanokryształy fosforanu wapnia.
Drugim krokiem jest umieszczenie implantów w dalszej części kości udowej samców szczurów wistar na okres dziewięciu dni, po których następuje pobranie kości udowych. Następnie kości udowe są oczyszczane, a otaczająca kość jest przycinana do szerokości implantu, w celu przygotowania próbek do badań mechanicznych z łukiem korowym po obu stronach implantu. Ostatnim krokiem jest umieszczenie próbek w płynnym kompozycie dentystycznym przy użyciu specjalnej formy odrywalnej, która izoluje 0,5 milimetra kości okolimplantowej, a następnie przeprowadzenie badań mechanicznych próbek.
Ostatecznie wyniki badań mechanicznych pozwalają ocenić zdolność powierzchni potencjalnego implantu do pełnienia funkcji powierzchni zakotwiczenia dla nowo powstałej kości regeneracyjnej. Metoda ta może zostać wykorzystana do wykazania znaczenia różnych zakresów skali topografii powierzchni implantu dla poszczególnych mechanizmów zakotwiczenia kości – od wiązania kości w skali nanometrycznej po wrastanie kości w grubszej skali mikronowej. Technika ta jest szczególnie odpowiednia do pomiaru efektów projektowania potencjalnych powierzchni, takich jak powierzchnie zakotwiczające dla nowo powstałej kości regeneracyjnej.
Ponieważ ogranicza to obszar testów mechanicznych do obszaru w obrębie pół milimetra od powierzchni implantu. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat wpływu projektu powierzchni implantu na tworzenie się kości i może być również zastosowana do innych materiałów implantacyjnych: metalowych, ceramicznych i polimerowych. Aby rozpocząć tę procedurę, należy wykonać prostokątne implanty tytanowe z tytanu czystego handlowo, następnie wywiercić otwór centralnie wzdłuż długiej osi i przygotować ich powierzchnie do implantacji zgodnie z opisem w towarzyszącym protokole tekstowym, a następnie przypisać implanty – jeden do lewej i jeden do prawej kości udowej – stosując częściową randomizację.
Zapewnia to, że każdy typ implantu zostanie umieszczony w tym samym zwierzęciu, co pozwala na optymalizację analizy statystycznej. Podobnie jak w przypadku wszystkich procedur z udziałem zwierząt, przed rozpoczęciem jakichkolwiek eksperymentów w ramach tej procedury należy uzyskać zatwierdzenie protokołu przez lokalną komisję ds. opieki nad zwierzętami. Należy pozyskać młode szczury Wistar, których waga w momencie operacji będzie wynosić od 200 do 250 g.
Uśpij szczury pojedynczo, stosując narkozę inhalacyjną do indukcji. Podawaj 4% izofluranu w tlenie przy przepływie jednego litra na minutę. Następnie stosuj 2% izofluranu w mieszaninie jednego litra na minutę tlenku azotu i 0,6 litra na minutę tlenu.
Aby utrzymać sedację, należy przeprowadzić standardowy test ucisku palca, aby upewnić się, że sedacja jest skuteczna przed kontynuowaniem procedury. Po pełnym uśpieniu należy nałożyć maść z zastępczych łez do obu oczu i podać przedoperacyjny środek przeciwbólowy poprzez podskórny zastrzyk z buprenorfiną w dawce od 0,01 do 0,05 mg/kg. Następnie należy ogolić przednioboczną stronę każdej kończyny tylnej, a potem zdezynfekować pole operacyjne, trzykrotnie naprzemiennie stosując 10% Betadine oraz 70% ethanol.
Umieść szczura na podkładce z ciepłą wodą w obiegu, aby zapobiec hipotermii podczas procedury, używając skalpela chirurgicznego nr 15. Wykonaj nacięcie skóry wzdłuż bocznej strony uda, aby odsłonić mięsień. Następnie odsłoń dystalną część kości udowej, stosując rozwarstwianie tępe w celu małoinwazyjnego odsunięcia brzuśców mięśniowych.
Następnie, za pomocą elewatora okostnowego, zeskrobcie cienką warstwę okostnej pokrywającej kość udową, aby całkowicie odsłonić kość korową przed wierceniem. Należy uważać, aby podczas tępej dyssekcji lub usuwania okostnej nie uszkodzić płytki wzrostu ani chrząstki stawowej stawu kolanowego. Po oczyszczeniu i obejrzeniu kości udowej, obróćcie ją bocznie, aby odsłonić przednią powierzchnię dystalnej części kości udowej.
Należy również zapewnić odpowiednią ilość sterylnej soli fizjologicznej do przemywania tkanki podczas wiercenia, aby zapobiec jej przegrzaniu. Przed wierceniem, za pomocą suwmiarki, wyznacz miejsce na dwa otwory, oddalone od siebie o 2,5 milimetra wzdłuż linii środkowej kości udowej. Następnie do końcówki wiertła stomatologicznego przymocuj wiertło stomatologiczne o średnicy 1,3 milimetra i wykonaj otwory, wiercąc przez korę przednią. Następnie do końcówki przymocuj skręcane wiertło stomatologiczne o średnicy 1,3 milimetra i pogłęb otwory przez przeciwległą korę kości udowej, uzyskując równoległe otwory bikortykalne.
Na koniec wymień wiertło spiralne na specjalistyczne wiertło do cięcia bocznego i użyj go do połączenia otworów w kierunku proksymentalno-dystalnym, tworząc miejsce na implant. Po całkowitym wykonaniu ubytku, przeciągnij biodegradowalną nić przez otwór za pomocą dołączonej igły i przeprowadź ją wokół zewnętrznej kory kości udowej. Następnie nawlecz implant na wolny koniec nici i wprowadź go do ubytku, gdzie powinien zostać osadzony na ciasno.
Zwiąż szew wokół bocznej części kości udowej, aby zapewnić stabilność implantu podczas rekonwalescencji pooperacyjnej i wczesnych etapów gojenia. Wykorzystaj pozostałą część nici do zamknięcia tkanki mięśniowej, a następnie przywróć położenie tkanki skórnej za pomocą zszywek chirurgicznych. Na koniec podaj środek przeciwbólowy pooperacyjny w formie iniekcji podskórnej.
Należy codziennie monitorować zwierzęta i sprawdzać miejsca operacyjne pod kątem oznak infekcji. Z badania należy wykluczyć zwierzęta, które nie odzyskały w pełni zdolności poruszania się lub u których w momencie uboju stwierdzono złamania kości udowej. Po uboju należy oddzielić kość udową i oczyścić ją z otaczających tkanek miękkich. Kość należy niezwłocznie przechowywać w 15% roztworze buforowym sacharozy, aby utrzymać nawodnienie tkanki.
W ramach przygotowania do badań mechanicznych, nanieś cienką czarną linię markerem permanentnym na łuku bocznym w celu identyfikacji. Następnie przytnij kość do szerokości implantów, używając cylindrycznego wiertła diamentowego przymocowanego do systemu wysokich obrotów. Końcowe próbki testowe składają się z dwóch łuków kostnych przymocowanych do każdej z powierzchni implantu.
Do wszystkich badań należy wykorzystać aparat do badań mechanicznych wyposażony w ogniwo obciążnika, ustawiając prędkość pracy na 30 millimeters per minute. W przypadku łuków, które odpadły podczas przygotowania lub transportu do próbek badawczych, należy przypisać wartość badania równą zero newton's. Najpierw umieść próbkę w specjalnej formie rozdzielnej i ustabilizuj ją, umieszczając płytkę stabilizującą po tylnej stronie formy.
Następnie otoczyć łuk korowy płynnym kompozytem dentystycznym i utwardzić kompozyt przez 60 seconds za pomocą wysokointensywnej lampy polimeryzacyjnej z łukiem plazmowym z szafiru. Taka konstrukcja umożliwia izolację obszaru kości okołozawadkowej o szerokości 0,5 millimeter w celu przeprowadzenia spójnych badań. Po utwardzeniu otworzyć formę i wyjąć utwardzony blok próbki.
Następnie przymocuj prefabrykowaną replikę badanego preparatu w imadle i wycentruj urządzenie na podstawie maszyny Instron. Potem zakotwicz próbkę w systemie, umieszczając ją w gwincie imadła, przeprowadzając nylonową żyłkę wędkarską o wytrzymałości 10 funtów przez implant i mocując wolne końce do ruchomej trawerka. Dla zachowania spójności zawsze najpierw oznakuj i przebadaj stronę boczną. Następnie przesuń trawersek w kierunku przeciwnym do próbki z prędkością 30 mm/min, analogicznie jak wcześniej, aż do momentu zniszczenia próbki.
Po oddzieleniu kości od powierzchni implantu powtórz ten proces w odniesieniu do łuku przyśrodkowego, a następnie obejrzyj powierzchnie implantów za pomocą mikroskopu stereoskopowego. Przedstawione tutaj obrazy SEM ukazują powierzchnie implantów poddanych piaskowaniu, z dodatkiem oraz bez dodatku nanokryształów fosforanu wapnia. Zmodyfikowane nanopowierzchnie wyglądają podobnie do powierzchni kontrolnych przy powiększeniu 10 000 x, jednak przy powiększeniu 100 000 x nanotopografia powstała w wyniku nałożenia nanokryształów fosforanu wapnia staje się wyraźna.
Przedstawiono tutaj reprezentatywne krzywe wymuszonego przemieszczenia. Czerwone linie reprezentują powierzchnie o złożonej mikrotopografii, natomiast czarna linia reprezentuje implanty z nanokryształami fosforanu wapnia. Powierzchnia z dodatkowymi submikronowymi cechami topograficznymi fosforanu wapnia wykazała znacznie wyższe siły rozrywania niż powierzchnia z niemodyfikowaną mikrotopografią.
Analiza płaszczyzn pęknięć po badaniach mechanicznych wykazała, że 92% próbek z kości zatopionej w przepływowym kompozycie dentystycznym pękło w obszarze docelowym implantu. Podczas wykonywania tej procedury należy zachować szczególną ostrożność podczas zatapiania próbek testowych ze względu na ich niewielki rozmiar i masę. Trudno jest je precyzyjnie umieścić, dlatego konieczne jest prawidłowe wyrównanie wszystkich elementów przed nałożeniem kompozytu dentystycznego.
Po wykonaniu tej procedury można zastosować zaawansowane metody obrazowania, takie jak obrazowanie elektronów wstecznie rozproszonych w skaningowym mikroskopie elektronowym, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące oddziaływania implantu z kością przy znacznie większym powiększeniu.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia ulepszoną metodę mechanicznego testowania zakotwiczenia kości w powierzchniach implantów. Metoda ta umożliwia precyzyjne ustawienie sił rozrywających, co zwiększa dokładność badania obszarów okołowszczepowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biomateriały
- Ortopedia
Wprowadzenie
- Zakotwiczenie w kości ma kluczowe znaczenie dla sukcesu implantów.
- Metody badań mechanicznych mogą wpływać na ocenę stabilności implantu.
- Dostosowane implanty tytanowe mogą być projektowane w celu badania różnych obróbek powierzchniowych.
- Nanokryształy fosforanu wapnia mogą usprawniać integrację z kością.
Cel badania
- Ocena zakotwiczenia i stabilności regenerującej się kości w obrębie powierzchni implantów.
- Porównanie wpływu różnych metod modyfikacji powierzchni na stabilność implantów.
- Opracowanie wiarygodnej metody badań mechanicznych dla obszarów oko LIMplantarnych.
Zastosowane metody
- Stworzenie dwóch grup spersonalizowanych implantów tytanowych z różnymi rodzajami modyfikacji powierzchni.
- Implementacja w dalszej części kości udowej samców szczurów linii Wistar na okres dziewięciu dni.
- Pobranie i przygotowanie kości udowych do badań mechanicznych.
- Zastosowanie płynnego kompozytu dentystycznego w celu izolacji kości okołoimplantowej do badań.
Główne wyniki
- Metoda ta pozwala na precyzyjne zastosowanie sił rozrywających.
- Badania mechaniczne dostarczają informacji na temat stabilności integracji implantu z kością.
- Obróbka powierzchniowa ma istotny wpływ na zakotwiczenie implantów.
- Badanie to tworzy podstawy dla przyszłych analiz stabilności implantów.
Wnioski
- Udoskonalona metoda testowania poprawia ocenę powierzchni implantów.
- Zrozumienie oddziaływania między kością a powierzchniami implantów jest kluczowe dla projektowania implantów.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej metodologii w celu zbadania innych metod modyfikacji powierzchni.
Najczęściej zadawane pytania
Zastosowanie w przemyśle
Dokładna ocena zakotwiczenia implantu w kości ma kluczowe znaczenie dla minimalizacji ryzyka związanych z kandydatami na implanty ortopedyczne podczas rozwoju przedklinicznego. Metoda ta umożliwia ilościowe porównanie topografii powierzchni w skali mikro i nano, co wspiera mechanistyczne zrozumienie procesów integracji kostnej. Zapewnia ona powtarzalne pomiary siły zerwania, które stanowią podstawę do decyzji o kontynuacji lub odrzuceniu projektów powierzchni implantów przed kosztownymi badaniami in vivo.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Weryfikuje hipotezy terapeutyczne poprzez powiązanie topografii powierzchni implantu z mechanizmami zakotwiczenia w kości w określonych skalach przestrzennych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia funkcjonalną walidację powierzchni biomateriałów poprzez izolowane testowanie regionu okoimplantowego, co redukuje niejednoznaczność mechanistyczną we wczesnej walidacji celów.
Przesiewy i opracowanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na przygotowanie walidowanych biologicznych próbek testowych ze standaryzowaną izolacją kości okołowszczepowej o grubości 0,5 mm, co zapewnia spójne wyniki pomiarów mechanicznych.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację i powtarzalność analizy dzięki zastosowaniu odrywalnych form do odlewania oraz precyzyjnemu dopasowaniu siły, co umożliwia wiarygodną ocenę związków lub powierzchni.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ocena odpowiedzi w procesie gojenia kości istotnych dla przebiegu choroby w modelach gryzoni, zapewniająca ciągłość translacyjną od fazy odkryć do walidacji przedklinicznej.
- Wartość operacyjna: Ułatwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju projektu z uwzględnieniem ryzyka poprzez kwantyfikację efektów zależnych od powierzchni w zakresie naprawczego zakotwiczenia kości w określonych okresach gojenia.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesu badawczego, od wczesnego przesiewania biomateriałów, przez identyfikację wiodących kandydatów, aż po przedkliniczną ocenę bezpieczeństwa, w szczególności w zakresie optymalizacji powierzchni implantów ortopedycznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływu nano- i mikrotopografii powierzchni na mechanizmy wiązania i przerostu kości.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie próbek gotowych do analizy z wyizolowanymi obszarami wokół implantu, zapewniając powtarzalne pomiary siły zerwania dla różnych wariantów powierzchni.
- Analityka: Generuje ilościowe dane dotyczące przesunięcia i siły oraz analizę płaszczyzny złamania w celu porównania warunków i uszeregowania metod modyfikacji powierzchni.
- Badania translacyjne: Łączy projekt powierzchni implantu z efektami gojenia kości w klinicznie istotnym modelu uściania kości udowej gryzoni.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do oceny różnorodnych materiałów implantacyjnych (metale, ceramika, polimery) i modyfikacji powierzchni w ramach różnych projektów.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie stabilności implantów poprzez izolowanie dokładnych obszarów okołowszczepowych i pomiar sił zaburzających równolegle lub prostopadle do płaszczyzny implantu.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację i skalowalność dzięki zastosowaniu niestandardowych form łamanych oraz zatapiania w płynnym kompozycie dentystycznym, co minimalizuje zmienność w przygotowaniu próbek.
- Wartość strategiczna: Wspiera lepsze podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań poprzez ilościowe określenie wpływu konkretnych cech powierzchni (np. nanokryształów fosforanu wapnia) na zakotwiczenie w kości, redukując ryzyko biologicznej niewydolności w późnej fazie.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację projektów powierzchni implantów w oparciu o ryzyko, wykorzystując powtarzalne punkty końcowe mechaniczne, które korelują z wynikami in vivo.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w ortopedycznej chirurgii gryzoni, wytwarzaniu implantów oraz obsłudze aparatury do testów mechanicznych.
- Zależne od dostępu do maszyn do badań mechanicznych z precyzyjnym wyrównaniem obciążenia oraz sprzętu do utwardzania przepływnych kompozytów stomatologicznych.
- Wymaga standaryzacji przygotowania próbek między zespołami, w szczególności w zakresie stosowania form odrywalnych oraz izolacji 0,5 mm kości okolimplantowej.
- Wymaga uwzględnienia adaptacji przy stosowaniu metody do materiałów implantacyjnych innych niż tytan lub w różnych obszarach anatomicznych.
- Ograniczone do powierzchni chropowatych lub teksturowanych; nie dotyczy gładkich powierzchni implantów ze względu na niewystarczające zakotwiczenie mechaniczne niezbędne do wiarygodnych testów.
