Ulepszona metoda badań mechanicznych do oceny zakotwiczenia implantu kostnego
February 10th, 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 tej procedury jest ocena zakotwiczenia i stabilności nowo powstałej kości naprawczej w stosunku do powierzchni potencjalnych implantów. Osiąga się to poprzez stworzenie najpierw dwóch grup niestandardowych implantów tytanowych. Jedna grupa została poddana standardowej obróbce strumieniowo-ściernej w celu stworzenia podstawowej mikrotopografii, a druga grupa została poddana tej samej obróbce strumieniowo-ściernej, a także nałożonym nanokryształom fosforanu wapnia.
Drugim krokiem jest umieszczenie implantów w dystalnej części kości udowej samców szczurów wistar na dziewięć dni, po czym pobiera się samice. Następnie kobiety są oczyszczane, a otaczająca kość jest przycinana do szerokości implantu, pozostawiając mechaniczne próbki testowe z łukiem korowym po obu stronach implantu. Ostatnim krokiem jest umieszczenie próbek testowych w płynnym kompozycie dentystycznym za pomocą niestandardowej formy odłamywanej, która izoluje 0,5 milimetra kości wokół implantu i przeprowadzenie testów mechanicznych na próbkach.
Ostatecznie, wyniki testów mechanicznych pozwalają ocenić zdolność powierzchni potencjalnego implantu do działania jako powierzchnia zakotwiczenia dla nowo powstałej kości naprawczej. Metoda ta może być zastosowana do wykazania znaczenia różnych zakresów skali topografii powierzchni implantu dla różnych mechanizmów zakotwiczenia kości, od wiązania kości w skali nanometrowej do wrastania kości w skali mikronowej. Technika ta jest szczególnie przydatna do pomiaru efektów proponowanych projektów powierzchni, takich jak powierzchnie zakotwiczone dla nowo powstałej kości naprawczej.
Ponieważ ogranicza obszar testowania mechanicznego do pół milimetra od powierzchni implantu. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat wpływu na tworzenie kości w zależności od konstrukcji powierzchni implantu, a także może być stosowana do innych metalowych, ceramicznych i polimerowych materiałów implantów. Aby rozpocząć tę procedurę, należy wyprodukować prostokątne implanty tytanowe z komercyjnie czystego tytanu, a następnie wywiercić otwór centralnie w dół długiej osi i przygotować ich powierzchnie do implantacji zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym, przypisać implanty jeden do lewej kości udowej i jeden do prawej przez częściową randomizację.
Gwarantuje to, że jeden z każdego typu implantu trafia do tego samego zwierzęcia i pozwala na optymalizację analizy statystycznej. Podobnie jak w przypadku wszystkich procedur na zwierzętach, przed rozpoczęciem jakichkolwiek eksperymentów związanych z tą procedurą należy uzyskać zgodę protokołu od lokalnego komitetu ds. opieki nad zwierzętami. Uzyskaj młode szczury wistar, które będą ważyć od 200 do 250 gramów w momencie operacji.
Uspokajaj jednego szczura na raz, używając znieczulenia wziewnego do indukcji. Podawać 4% izofluoru w tlenie z szybkością przepływu jednego litra na minutę. Następnie użyj 2% izofluoru w mieszaninie jednego litra na minutę podtlenku azotu i 0,6 litra tlenu na minutę.
Aby utrzymać sedację, przed kontynuowaniem procedury należy przeprowadzić standardowy test szczypania palców u stóp, aby zapewnić skuteczną sedację. Po całkowitym uspokojeniu nałóż sztuczną maść na łzy na oba oczy i podaj przedoperacyjny środek przeciwbólowy poprzez podskórne wstrzyknięcie od 0,01 do 0,05 miligrama na kilogram buprenorfiny. Następnie ogol przednio-boczną część każdej tylnej nogi, a następnie zdezynfekuj obszar chirurgiczny, trzykrotnie naprzemiennie 10% betadyny i 70% etanolu.
Umieść szczura na podkładce cyrkulacyjnej ciepłej wody, aby zapobiec hipotermii podczas zabiegu, używając skalpela chirurgicznego numer 15. Wykonaj nacięcie przez skórę i wzdłuż bocznej części uda, aby odsłonić mięsień. Następnie odsłoń dystalną część kości udowej za pomocą rozwarstwienia, aby odchylić mięśnie w minimalnie inwazyjny sposób.
Następnie zeskrob cienką warstwę okostnej, która pokrywa kość udową za pomocą podnośnika perote, aby w pełni odsłonić kość korową do wiercenia. Należy uważać, aby nie uszkodzić płytki wzrostowej lub chrząstki stawowej stawu kolanowego podczas rozwarstwienia lub usuwania okostnej. Po oczyszczeniu i sprawdzeniu kości udowej obróć kość udową na boki, aby odsłonić przednią część dystalnej części kości udowej.
Upewnij się również, że dostępna jest duża ilość sterylnego soli fizjologicznej do nawadniania tkanki podczas wiercenia, aby uniknąć przegrzania tkanki Przed wierceniem zmierz położenie dwóch otworów w odległości 2.5 milimetra od siebie wzdłuż linii środkowej kości udowej za pomocą suwmiarki. Następnie przymocuj 1,3-milimetrowy wiertło dentystyczne do rękojeści dentystycznej i utwórz otwory, wiercąc w przedniej korze zębowej. Następnie przymocuj skręcony 1,3-milimetrowy frez dentystyczny do rękojeści i przedłuż otwory przez przeciwległą korę kości udowej, tworząc dwukorowe równoległe otwory.
Na koniec zamień zadzior skrętny na niestandardowy zadzior do cięcia bocznego i użyj go do połączenia otworów w bliższym kierunku dystalnym, tworząc miejsce dla implantu. Po usunięciu wady należy wprowadzić biodegradowalny szew przez otwór za pomocą dołączonej igły i zwrócić go wokół zewnętrznej kory udowej. Następnie nawlecz implant na wolny koniec szwu i wprowadź go do ubytku, w którym powinien być dopasowany ciśnieniowo.
Zawiąż szew wokół bocznej części kości udowej, aby zapewnić stabilność implantu podczas rekonwalescencji pooperacyjnej i wczesnych etapów gojenia. Użyj pozostałego szwu, aby zamknąć tkankę mięśniową, a następnie ułóż tkankę skórną za pomocą zszywek chirurgicznych. Na koniec podaj pooperacyjny środek przeciwbólowy poprzez wstrzyknięcie podskórne.
Sprawdzaj miejsca operacyjne pod kątem oznak infekcji i codziennie monitoruj zwierzęta. Wykluczyć zwierzęta, które nie są w pełni zdolne do poruszania się lub te, u których stwierdzono złamania kości udowej podczas składania ofiary Po złożeniu w ofierze należy odłączyć kość udową i oczyścić kość z otaczającej tkanki miękkiej. Natychmiast przechowuj go w 15% roztworze buforowym sacharozy, aby utrzymać nawodnienie tkanek.
Przygotowując się do testów mechanicznych, narysuj cienką czarną linię trwałym markerem na łuku bocznym w celu identyfikacji. Następnie przytnij kość do szerokości implantów za pomocą cylindrycznego frezu diamentowego przymocowanego do systemu o dużej prędkości. Końcowe próbki testowe składają się z dwóch łuków kostnych przymocowanych do każdej powierzchni implantu.
Do wszystkich testów należy używać mechanicznego aparatu testującego wyposażonego w ogniwo obciążnikowe i ustawić prędkość roboczą na 30 milimetrów na minutę. Przypisz wartość testową równą zero niutonów dla łuków, które odpadają podczas przygotowania lub transportu do próbek testowych. Najpierw umieść próbkę w niestandardowej odłamanej formie i ustabilizuj ją, umieszczając płytkę stabilizującą po tylnej stronie formy.
Następnie otocz łuk korowy płynnym kompozytem dentystycznym i utwardzaj kompozyt przez 60 sekund za pomocą szafirowego łuku plazmowego o wysokiej intensywności utwardzania. Taka konstrukcja pozwala na odizolowanie 0,5-milimetrowego obszaru kości wokół implantu w celu spójnego testowania. Po utwardzeniu otwórz formę i usuń stwardniały blok próbki.
Następnie zamocuj prefabrykowaną replikę próbki testowej w imadle i wyśrodkuj urządzenie na podstawie instronu. Następnie zakotwicz próbkę w systemie, umieszczając ją w nici imadła, 10-funtowej nylonowej żyłce przez implant i przymocuj luźne końce do ruchomej poprzeczki Aby uzyskać spójność, zawsze najpierw oznacz i przetestuj boczną stronę. Następnie odsuń poprzeczkę od próbki z prędkością 30 milimetrów na minutę, tak jak poprzednio, aż do awarii.
Gdy kość odsunie się od powierzchni implantu, powtórz ten proces z łukiem przyśrodkowym, a następnie obserwuj powierzchnie implantu za pomocą mikroskopu preparacyjnego. Pokazano tutaj obrazy SEM powierzchni implantów piaskowanych, przedstawione z dodatkiem nanokryształów fosforanu wapnia i bez niego. Zmodyfikowane nano powierzchnie wyglądają podobnie do powierzchni kontrolnych przy 10 000 x, ale gdy patrzy się na nie w 100 000 x, nałożona nano topografia utworzona przez nanokryształy fosforanu wapnia staje się dość oczywista.
Reprezentatywne krzywe wymuszonego przemieszczenia są pokazane tutaj. Czerwone linie reprezentują mikrotopograficznie złożone powierzchnie, podczas gdy linia reprezentuje implanty z nałożonymi nanokryształami fosforanu wapnia. Powierzchnia z dodanymi submikronowymi cechami topograficznymi fosforanu wapnia miała znacznie większe siły rozrywające niż ta z niezmodyfikowaną mikrotopografią.
Analizując płaszczyzny pęknięć po testach mechanicznych, 92% osób, u których kość była pokryta płynnym kompozytem dentystycznym, uległo złamaniu w docelowym obszarze implantu. Podczas próby wykonania tej procedury należy zwrócić szczególną uwagę podczas sadzenia próbek testowych w doniczkach ze względu na ich miniaturowy rozmiar i wagę. Są one trudne do dokładnego umieszczenia, dlatego konieczne jest odpowiednie wyrównanie wszystkiego przed nałożeniem kompozytu dentystycznego.
Po tej procedurze można wykonać zaawansowane metody obrazowania, takie jak obrazowanie elektronów wstecznie rozproszonych w skaningowym mikroskopie elektronowym, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące interakcji implantu kostnego przy znacznie większym powiększeniu.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
To badanie przedstawia udoskonaloną metodę mechanicznego testowania kotwiczenia kości do powierzchni implantów. Metoda ta pozwala na precyzyjne wyrównanie sił rozdzielających, poprawiając dokładność testowania obszarów wokół implantów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Biomateriały
- Ortopedyczna
Tło
- Kotwiczenie kości jest kluczowe dla sukcesu implantów.
- Metody testów mechanicznych mogą wpływać na ocenę stabilności implantów.
- Można zaprojektować niestandardowe implanty tytanowe, aby badać różne obróbki powierzchni.
- Nanokryształy fosforanu wapnia mogą poprawić integrację z kością.
Cel badania
- Ocenić kotwiczenie i stabilność tkanki kostnej regeneracyjnej do powierzchni implantów.
- Porównać wpływ różnych obróbek powierzchni na stabilność implantów.
- Opracować niezawodną metodę testów mechanicznych dla obszarów wokół implantów.
Zastosowane metody
- Stworzenie dwóch grup niestandardowych implantów tytanowych z różnymi obróbkami powierzchni.
- Implantacja do dystalnego kości udowej samców szczurów Wistar przez dziewięć dni.
- Zbieranie i przygotowanie kości udowych do testów mechanicznych.
- Użycie płynnego kompozytu dentystycznego do izolacji kości wokół implantów na potrzeby testów.
Główne wyniki
- Metoda ta pozwala na precyzyjne stosowanie sił rozdzielających.
- Testy mechaniczne dostarczają informacji na temat stabilności integracji kość-implant.
- Obróbki powierzchni znacząco wpływają na kotwiczenie implantów.
- Badanie ustanawia ramy dla przyszłych badań nad stabilnością implantów.
Wnioski
- Ulepszona metoda testowania poprawia ocenę powierzchni implantów.
- Zrozumienie interakcji między kością a powierzchniami implantów jest kluczowe dla projektowania implantów.
- Przyszłe badania mogą wykorzystywać tę metodologię do eksploracji innych obróbek powierzchni.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Accurate assessment of bone-implant anchorage is critical for de-risking orthopedic implant candidates during preclinical development. This method enables quantitative comparison of surface topographies across micro- and nano-scales, supporting mechanistic understanding of bone integration mechanisms. It provides reproducible disruption force measurements that inform go/no-go decisions for implant surface designs before costly in vivo studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by linking implant surface topography to bone anchorage mechanisms at defined spatial scales.
- Operational Value: Enables functional validation of biomaterial surfaces through isolated peri-implant region testing, reducing mechanistic ambiguity in early target validation.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological test specimens with standardized 0.5 mm peri-implant bone isolation for consistent mechanical readouts.
- Operational Value: Supports assay standardization and reproducibility via breakaway mold potting and precise force alignment, enabling reliable compound or surface evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Assesses disease-relevant bone healing responses in rodent models, providing translational continuity from discovery to preclinical validation.
- Operational Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions by quantifying surface-dependent effects on reparative bone anchorage over defined healing periods.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early biomaterial screening through lead identification to preclinical safety assessment, particularly for orthopedic implant surface optimization.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of how surface nano- and micro-topographies influence bone bonding and ingrowth mechanisms.
- Screening: Enables assay-ready specimens with isolated peri-implant regions, ensuring reproducible disruption force measurements across surface variants.
- Analytics: Generates quantitative force-displacement outputs and fracture plane analysis to compare conditions and rank surface treatments.
- Translational Research: Connects implant surface design to bone healing outcomes in a clinically relevant rodent femoral defect model.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating diverse implant materials (metal, ceramic, polymer) and surface modifications across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in implant stability by isolating exact peri-implant regions and measuring disruption forces parallel or perpendicular to the implant plane.
- Operational Value: Improves standardization and scalability through custom breakaway molds and flowable dental composite potting, minimizing variability in specimen preparation.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions by quantifying the contribution of specific surface features (e.g., calcium phosphate nano crystals) to bone anchorage, reducing late-stage biological failure risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of implant surface designs using reproducible mechanical endpoints that correlate with in vivo performance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rodent orthopedic surgery, implant fabrication, and mechanical testing instrumentation.
- Dependent on access to mechanical testing machines with precise load alignment and flowable dental composite curing equipment.
- Necessitates cross-team standardization of specimen preparation, particularly breakaway mold use and 0.5 mm peri-implant bone isolation.
- Involves adaptation considerations when applying the method to non-titanium implant materials or different anatomical sites.
- Limited to roughened or textured surfaces; not applicable to smooth implant surfaces due to insufficient mechanical interlock for reliable testing.
