Улучшенная Механические испытания Метод для оценки костного имплантата Анкоридж

Общая цель данной процедуры заключается в оценке фиксации и стабильности вновь образованной репаративной костной ткани по отношению к поверхностям исследуемых имплантатов. Для этого сначала создаются две группы индивидуальных титановых имплантатов. Первая группа подвергается стандартной пескоструйной обработке для создания базовой микротопографии, а вторая группа проходит ту же пескоструйную обработку с последующим нанесением нанокристаллов фосфата кальция.

На втором этапе имплантаты устанавливают в дистальный отдел бедренной кости самцов крыс линии Wistar на девять дней, после чего бедренные кости извлекают. Затем кости очищают, а окружающую костную ткань обрезают до ширины имплантата, чтобы получить образцы для механических испытаний с кортикальной дугой с обеих сторон от имплантата. Заключительный этап заключается в помещении исследуемых образцов в текучий стоматологический композит с использованием специальной разломной формы, что позволяет изолировать 0.5 мм периимплантатной кости, и последующем проведении механических испытаний этих образцов.

В конечном итоге результаты механических испытаний позволяют оценить способность поверхности перспективного имплантата служить опорной поверхностью для вновь образующейся репаративной костной ткани. Данный метод может быть использован для демонстрации влияния различных масштабов топографии поверхности имплантата на разнообразные механизмы костного закрепления: от срастания кости на нанометровом уровне до врастания кости в микропористую структуру. Этот метод особенно подходит для оценки эффективности различных вариантов дизайна поверхности, таких как поверхности, предназначенные для фиксации вновь образующейся репаративной кости.

Поскольку данный подход ограничивает область механического тестирования пределами половины миллиметра от поверхности имплантата, этот метод позволяет изучить влияние дизайна поверхности имплантата на формирование костной ткани, а также может быть применен к другим металлическим, керамическим и полимерным имплантационным материалам. Для начала процедуры изготовьте прямоугольные титановые имплантаты из коммерчески чистого титана, затем просверлите отверстие по центру вдоль продольной оси и подготовьте их поверхности для имплантации, как описано в сопроводительном текстовом протоколе; распределите имплантаты (один в левое бедро, один в правое) методом частичной рандомизации.

Это гарантирует, что имплантаты каждого типа будут установлены одному и тому же животному, что позволяет оптимизировать статистический анализ. Как и при любых процедурах с животными, перед началом любых экспериментов в рамках данной методики получите одобрение протокола в местном комитете по уходу за животными. Используйте молодых крыс линии Wistar, вес которых на момент операции должен составлять от 200 до 250 г.

Седатируйте крыс по одной, используя ингаляционную анестезию для индукции. Введите 4% isof fluorine в кислороде при скорости потока один литр в минуту. Затем используйте 2% isof fluorine в смеси одного литра в минуту закиси азота и 0,6 литра в минуту кислорода.

Для поддержания седации перед продолжением процедуры проведите стандартный тест с защемлением пальца лапы, чтобы убедиться в эффективности седации. После полного наступления седации нанесите мазь «искусственная слеза» в оба глаза и введите предоперационный анальгетик путем подкожной инъекции бупренорфина в дозе от 0,01 до 0,05 мг/кг. Затем выбрейте переднебоковую поверхность каждой задней конечности, после чего продезинфицируйте операционное поле, трижды попеременно обработав его 10% раствором Betadine и 70% этанолом.

Поместите крысу на подушку с циркулирующей теплой водой для предотвращения гипотермии во время процедуры; с помощью хирургического скальпеля № 15 сделайте разрез кожи вдоль латеральной поверхности бедра, чтобы обнажить мышцу. Затем с помощью тупой диссекции минимально инвазивно отодвиньте мышечные брюшки, чтобы обнажить дистальный отдел бедренной кости.

Затем с помощью периостального элеватора скребком удалите тонкий слой надкостницы, покрывающий бедренную кость, чтобы полностью обнажить кортикальный слой кости для сверления. Будьте осторожны, чтобы не повредить зону роста или суставной хрящ коленного сустава во время тупой диссекции или удаления надкостницы. После того как бедренная кость была очищена и осмотрена, поверните её латерально, чтобы обнажить переднюю поверхность дистального отдела бедренной кости.

Также убедитесь в наличии достаточного количества стерильного физиологического раствора для ирригации ткани во время сверления, чтобы избежать ее перегрева. Перед сверлением с помощью штангенциркуля отметьте места для двух отверстий, расположенных на расстоянии 2,5 мм друг от друга вдоль срединной линии бедренной кости. Затем установите стоматологический бор диаметром 1,3 мм в стоматологический наконечник и просверлите отверстия через передний кортикальный слой. После этого установите в наконечник спиральный стоматологический бор диаметром 1,3 мм и расширьте отверстия через противоположный кортикальный слой бедренной кости, чтобы получить параллельные бикортикальные отверстия.

Наконец, замените спиралевидный бор на специальный бор для бокового резания и используйте его для соединения отверстий в проксимально-дистальном направлении, формируя ложе для имплантата. После завершения формирования дефекта проведите биоразлагаемую нить через отверстие с помощью прилагаемой иглы и выведите ее вокруг наружного кортикального слоя бедренной кости. Затем наденьте имплантат на свободный конец нити и направьте его в дефект, где он должен быть зафиксирован с натягом.

Завяжите шов вокруг латеральной поверхности бедренной кости для обеспечения стабильности имплантата в период послеоперационного восстановления и на ранних стадиях заживления. Используйте оставшуюся часть нити для ушивания мышечной ткани, затем закройте кожный лоскут с помощью хирургических скоб. В завершение введите послеоперационный анальгетик путем подкожной инъекции.

Ежедневно осматривайте места хирургических вмешательств на наличие признаков инфекции и наблюдайте за животными. Исключите из исследования животных, у которых не восстановилась способность к передвижению или у которых при забое были обнаружены переломы бедренной кости. После забоя извлеките бедренную кость и очистите её от окружающих мягких тканей. Немедленно поместите её в 15% раствор буфера сахарозы для поддержания гидратации ткани.

При подготовке к механическим испытаниям нанесите тонкую черную линию перманентным маркером на латеральную дугу для целей идентификации. Затем обрежьте кость до ширины имплантатов, используя цилиндрический алмазный бор, установленный в высокоскоростную систему. Конечные испытуемые образцы состоят из двух костных дуг, прикрепленных к каждой стороне имплантата.

Для всех испытаний используйте аппарат для механических испытаний, оснащенный тензодатчиком, установив скорость работы 30 millimeters per minute. Для образцов, которые откололись в процессе подготовки или транспортировки, присвойте значение нагрузки 0 newton's. Сначала поместите образец в специальную разламываемую форму и зафиксируйте его, установив стабилизирующую пластину на заднюю сторону формы.

Затем окружите кортикальную дугу текучим стоматологическим композитом и полимеризуйте его в течение 60 секунд с помощью высокоинтенсивной лампы для полимеризации с сапфировой плазменной дугой. Такая конструкция позволяет изолировать область периимплантатной кости шириной 0,5 мм для обеспечения единообразия испытаний. После полимеризации откройте форму и извлеките затвердевший блок с образцом.

Затем закрепите предварительно изготовленную реплику испытуемого образца в тисках и отцентруйте узел относительно основания установки Instron. После этого зафиксируйте образец в системе, поместив его в резьбу тисков, продев нейлоновую леску прочностью 10 фунтов через имплантат и прикрепив свободные концы к подвижной траверсе. Для обеспечения единообразия всегда сначала маркируйте и тестируйте латеральную сторону. Затем перемещайте траверсу в направлении от образца со скоростью 30 millimeters per minute, как и прежде, до момента разрушения.

После того как кость отделится от поверхности имплантата, повторите эту процедуру с медиальной дугой, а затем осмотрите поверхности имплантатов с помощью диссекционного микроскопа. Здесь представлены СЭМ-изображения пескоструйно обработанных поверхностей имплантатов с добавлением и без добавления нанокристаллов фосфата кальция. Модифицированные наноповерхности выглядят аналогично контрольным при увеличении 10 000 x, однако при увеличении 100 000 x наложенная нанотопография, созданная нанокристаллами фосфата кальция, становится весьма очевидной.

Здесь представлены типичные кривые принудительного смещения. Красные линии соответствуют поверхностям со сложной микротопографией, а черная линия — имплантатам с нанесенными нанокристаллами фосфата кальция. Поверхность с дополнительными субмикронными топографическими особенностями фосфата кальция характеризовалась значительно более высокими силами разрушения, чем поверхность с немодифицированной микротопографией.

При анализе плоскостей излома после механических испытаний было установлено, что в 92% случаев образцов с костью, заключенной в текучий стоматологический композит, излом произошел в целевой области имплантата. При выполнении данной процедуры необходимо проявлять особую осторожность при заливке исследуемых образцов в силу их малого размера и веса. Их трудно точно расположить, поэтому перед нанесением стоматологического композита необходимо правильно выровнять все элементы.

После выполнения данной процедуры могут быть применены современные методы визуализации, такие как получение изображений с помощью обратно рассеянных электронов в сканирующем электронном микроскопе, что позволит получить ответы на дополнительные вопросы о взаимодействии имплантата с костью при значительно более высоком увеличении.