Summary
В этом исследовании, будет обсуждаться использование в Ситу загрузочного устройства в сочетании с микро-рентгеновской компьютерной томографии для волокнистых совместных биомеханики. Экспериментальные показания идентифицируемые с общим изменением совместных биомеханики будет включать в себя: 1) реакционную силу против смещения, т.е. зуб смещение внутри лунки зуба и его реакционность ответ на нагрузки, 2) трехмерные (3D) пространственная конфигурация и морфометрия, т.е. геометрическое отношения зуба с лунки зуба, и 3) изменения в считывания 1 и 2 в связи с изменением в оси нагружения, т.е. концентрических или эксцентричных нагрузок.
Abstract
Это исследование показывает, протокол испытаний новые биомеханика. Преимущество этого протокола включает использование на месте загрузочного устройства, соединенного с высоким разрешением рентгеновской микроскопии, что позволяет визуализировать внутренних структурных элементов при моделируемых физиологических нагрузок и влажных условиях. Экспериментальные образцы будут включать нетронутыми кости периодонтальной связки (PDL)-зубные волокнистые суставов. Результаты будут показаны три важные особенности протокола, как они могут быть применены к биомеханике уровня орган: 1) реакционной силой против смещения: объем зуб в лунки зуба и его реакционная реагирования для загрузки, 2) трехмерные (3D) пространственную конфигурацию и морфометрия: геометрическая отношения зуба с лунки зуба, и 3) изменения в считывания 1 и 2 в связи с изменением оси нагружения, т.е. с концентрично эксцентричных нагрузок. Эффективность предлагаемого протокола будет оцениваться путем сочетания механической тэжала показания в 3D морфометрии и общих биомеханики сустава. Кроме того, этот метод будет делать акцент на необходимости уравновесить экспериментальные условия, в частности, реакционные нагрузки до приобретения томограммы волокнистых суставов. Следует отметить, что предложенный протокол ограничивается тестирования образцов под Экс Vivo условиях, и что использование контрастных веществ для визуализации мягких тканей механической реакции может привести к ошибочным выводам о ткани и органа на уровне биомеханики.
Introduction
Несколько экспериментальных методов по-прежнему использоваться для расследования биомеханику diarthrodial и волокнистых суставов. Методы, специфичные для биомеханики органов зубов включают в себя использование тензодатчиков 1-3, методы фотоупругости 4, 5, муар интерферометрии 6, 7, электронной спекл-картины интерферометрии 8, и цифровой корреляции изображений (DIC) 9-14. В этом исследовании, инновационный подход включает неинвазивной визуализации с помощью рентгеновских лучей, чтобы выставить внутренние структуры волокнистого сустава (минерализованные тканей и их интерфейсов, состоящие из мягких зон и взаимодействия тканей, таких как связки) при нагрузках, эквивалентных естественных условиях обстановки в. В Ситу загрузочное устройство соединено с микро-рентгеновский микроскоп будет использоваться. Во время загрузки и кривые нагрузка-смещение будет собираться как коренного зуба интересов в только что собранного крысы геми-челюсти загружается. Майн цель подхода, представленного в этом исследовании, чтобы подчеркнуть эффект трехмерного морфологии зубной кости, сравнивая условия по адресу: 1) без нагрузки и при загрузке, и когда 2) концентрически и эксцентрично загружен. Устраняя необходимость вырезать образцов и проводить эксперименты на целых неповрежденных органов во влажных условиях позволит максимальным сохранением 3D-напряженного состояния. Это открывает новую область исследования в понимании динамических процессов комплекса при различных сценариях нагрузки.
В этом исследовании, методы тестирования PDL биомеханики в пределах неповрежденной волокнистого сустава крысы Спрэг Dawley, совместное считается оптимальной биоинженерии модельной системы будут подробно. Эксперименты будут включать моделирование жевательных нагрузок при гидратированных условиях для того, чтобы подчеркнуть три важных особенности сустава как они относятся к биомеханике уровня орган. Три точки будет включать в себя: 1) реакционную силу против смещения:зуб смещение в лунки зуба и его реакционная ответ на нагрузки, 2) трехмерные (3D) пространственная конфигурация и морфометрия: геометрическая отношения зуба с лунки зуба, и 3) изменения в считывания 1 и 2 в связи с изменением оси нагрузки, т.е. от концентричными эксцентричных нагрузок. Три основные показания из предлагаемой методики могут быть применены для исследования адаптивный характер суставов у позвоночных либо в связи с изменением функциональных требований, и / или болезни. Изменения в указанных выше показаний, в частности, соотношение между реакционными нагрузок со смещением, и в результате реакционные нагрузки времени и нагрузка-перемещение кривые с разной скоростью загрузки могут быть применены для выделения общих изменений в совместных биомеханики. Эффективность предлагаемого протокола будет оцениваться путем сочетания механических показания тестирования в 3D морфометрии и общих биомеханики сустава.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Корпус животных и эвтаназию: Все животные, используемые в этой демонстрации были размещены под свободных от патогенов условиях в соответствии с руководящими принципами уходу и использованию животных комитета институционального (IACUC) и Национального института здоровья (NIH).
Обеспечить животных со стандартным трудно гранул крыс кормом и водой экспромтом. Усыпить животных через два-шагового метода удушья диоксида углерода, двустороннего торакотомии в соответствии со стандартным протоколом UCSF, утвержденного IACUC. Выполните биомеханической тестирование в течение 24 часов жертвоприношения животных, чтобы избежать деградации тканей.
1. Подготовка и Рассечение крысиной нижней или верхней челюсти
- Удалить крысы челюсти, осторожно отделяя мембранной ткани и мышечной ткани вложения при сохранении всю нижнюю челюсть, в том числе венечного отростка и мыщелкового отростка (рис. 1) 15.
- Отдельные hemimandibles на машинеefully резки фиброзной ткани симфиза нижней челюсти с лезвие скальпеля.
Примечание: коронарные и мыщелковые процессы и ветвь нижней челюсти (рис. 1) должны быть удалены, если они физически препятствовать биомеханической тестирование 2-го моляра. - Разрежьте резцы, не подвергая пульповый, чтобы не препятствовать загрузку моляра.
2. Изготовление образцов для на месте сжатие Загрузка (рис. 2)
- Иммобилизации образца на стальной заглушкой с помощью материала, который значительно жестче, чем экспериментальных образцов перед загрузкой его в In Situ загрузочного устройства (рис. 2а).
Примечание: полиметилметакрилат (ПММА), использовали для иммобилизации образца в этом исследовании и избытка, если таковые были удалены с помощью зубной Explorer. - Совместите окклюзионную поверхность моляров (ы) процентной параллельно с АСМ металла образца диск с помощью прямой край в обасамолеты (т.е. мезиальная-дистальной и щечной языках).
- Создать корыто с тупым инструментом, окружающей коренные зубы.
Примечание: Это пространство должно служить "рвом", чтобы содержать лишнюю жидкость и поддержания тканей гидратации во время на месте погрузки. - Подготовьте поверхность зуба, чтобы создать для концентрической (рис. 2В) или эксцентричного (рис. 2С) загрузка с помощью зубной композит. Протравите поверхность зуба интереса с 35% гель фосфорной кислоты на окклюзионной поверхности в течение 15 сек.
- Промыть тщательно травителя деионизированной водой и высушить поверхность с помощью шприца воздух / вода или сжатого воздуха канистру. С исследователь, распространять каплю связующего в открытые створок в тонком слое. Лечение композита с дентального отверждения на свету.
Примечание: Все операции, включающие композиты должны быть выполнены без прямого света от лампы. Такие условия бы нежелательно ускорить процесс полимеризации, и Коулад предотвратить правильное размещение композита. Освещение номера является приемлемым. - Удалите излишки клеящего вещества из соседних зубов с тонкой скальпелем или лезвием бритвы.
- Поместите текучей зубной композит на поверхности после подготовки поверхности и распространить его в пазах моляра (ы), представляющие интерес с помощью зубной Explorer.
- Expose композит для дентального отверждения на свету в течение 30 сек.
- Mold окклюзионной накопление около 3-4 мм с помощью стоматологической состава смолы, от окклюзионной плоскости моляра (ы) процентов и светового отверждения в течение 30 сек.
- Уменьшение верхнюю часть составного накопления к плоской поверхности, параллельной чтобы позволить последовательную схему загрузки во всех образцах с помощью линейки и высокой скорости наконечник.
Примечание: В биомеханической тестирования, другие образцы должны храниться в трис-фосфатным буферным раствором (TBS) с 50 мг / мл пенициллина, стрептомицина и 15.
3. Загрузка Drift устройств иЖесткость, Материал недвижимости Дифференцируя Возможность, на месте Загрузка волокнистого Джойнт
- Закрепите образец с композитного налипания на наковальне погрузки этапе, и тест на равномерной загрузке, как показано на рисунке 2B.
- Поместите шарнирный бумагу на поверхности композита с последующим загрузке образца в конечной нагрузки для проверки концентрической или эксцентрической нагрузки (фиг. 2В и 2С).
- Наведите TBS-пропитанной Kimwipe вокруг образца, чтобы обеспечить образца гидратации. Сделайте желоб вокруг образца и залейте его TBS сохранить орган увлажненной во время съемки.
- Входной пиковой нагрузки и скорости перемещения в программное обеспечение Deben для сжатия коренной зуб до желаемой пиковой нагрузки в размере смещения следующей иммобилизации hemimandible.
Примечание: Типичные показания должны включать реакционную нагрузку, поскольку материал сжимается с течением времени (чувствительность датчика нагрузки = 0,1N). От время загрузки и смещения времени, кривая нагрузки смещение для сжатого материала должно быть получено 16-18. Используя данные, собранные из циклов нагрузки, различные свойства соединения также могут быть определены. Жесткость сустава следует рассчитать по наклон линейной части (примерно 30% в прошлом данных) из загрузочной фазе нагрузки кривой зависимости смещения 19.
4. Окрашивание мягких тканей, в PDL, с фосфовольфрамовой кислоты (PTA)
Примечание: Для повышения рентгеновского ослабления контрастности, PDL должны быть окрашены с 5%-ным раствором ОТА 20.
- Засыпка ПТА красящий раствор в чистую 1,8 мл стеклянный carpule и поместите загруженный carpule в шприц.
- Введите раствор медленно (5 мин / carpule) в PDL-пространстве соседних зубов, чтобы предотвратить повреждение конструкции тканей пародонта, окружающих зуб интересов.
Примечание: Вышеуказанные шаги должны бе не повторяется до тех пор приблизительно 5 полных carpules (9 мл) раствора вводят и может протекать в окружающие ткани. В нацелен образцы также можно замочить на ночь в оставшийся раствор ОТА (8 ч).
5. Рекомендуемые настройки сканирования μ-XCT
Выполните м-XCT со следующими настройками сканирования:
| Цель Увеличение | 4X, 10X |
| 1800 изображений | |
| Напряжение рентгеновской трубки | 75 кВп (50 кВп для PTA окрашенных образцов) |
| 8 Вт | |
| Время воздействия | ~ 8-25 сек * |
| ~ 4 мкм (4X цель), ~ 2 мкм (10X цель) ** |
* Время экспозиции может варьироваться в зависимости от геометрии и оптической плотности образца и рентгеновской трубки В.О.ltage.
** Фактический пикселов будет несколько отличаться в зависимости от конфигурации источника, образца и детектора.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Оценка загрузки устройства "люфта", "Буксировка", жесткости, и система дрейфа при постоянной нагрузке
Люфт: Между погрузки и разгрузки части цикла, существует паузу 3 секунды, в течение которого передач трактора заднего хода в двигателе перед верно разгрузка начинается, то есть как образец отрывается от верхней челюсти (рис. 3). Этот период называют зазора в системе, который представляет сегмент времени, когда система пытается перейти от закрытия для открытия челюстей. Следует отметить, что все циклы нагрузка будет содержать подобную реакцию зазора независимо от образца или условий нагружения (рис. 4). Нормальная нагрузка зависимости от времени кривой, полученной с использованием твердого тела показано на рисунках 3А и 3В подчеркнув погрузку, разгрузку и зазором регионы в двух различных лПССП из 6 N и 16 N. нормальная нагрузка по сравнению с кривой смещения выделяя соответствующие три сегмента показана на рисунке 3C.
Буксировка: В то время как все периоды люфтом происходят в том же 3 сек сроки, реакционного ответ, и в результате форма зазора регионе может измениться в зависимости от образца. Тестируя системы с использованием твердого тела (рис. 3), самый крутой и самый высокий падение реакционной нагрузки наблюдалось по сравнению с костью PDL-зуба комплекса и polydimethlysiloxane (PDMS). Тем не менее, волокнистых совместных показано значительное снижение реакционной нагрузки во время зазора фазы по сравнению с PDMS. PDMS (рис. 4) образцы, казалось, имеют наименьшее падение (никакой разницы между сшивающих плотностей в 1:05 и 1:25 - Рисунок 4A).
Жесткость: Жесткость загрузочного устройства при испытании AGainst твердого тела была значительно выше, чем у сложных и PDMS образцов. Эти данные проверки эффективности загрузочного устройства, чтобы выделить изменения в биомеханике кости PDL-зуба комплекса и мягких материалов (рис. 4б).
Визуализация мягкие и твердые структуры ткани в интактной кости PDL-зуба с использованием комплекса μ-XCT: В неокрашенных, но гидратированного волокнистого сустава, ослабление признаков твердых тканей, в том числе альвеолярной кости, цемента, эмали, дентина и были выделены (фиг.5А и 5B). Тем не менее, пространства, содержащиеся преимущественно мягкие органические ткани были прозрачными для рентгеновских лучей, в результате чего PDL-пространство относительно "пустой" (черный). Образцы, обработанные ПТА показали повышенную контрастность в PDL-пространстве, тем самым подчеркивая особенности представитель PDL и тканях десны (рис. 5C-F). Сканирование на более высоком MagnificAtion показал PDL как волокнистый сети между зубом и костью.
Реакционной силой против смещения: биомеханические ответ волокнистого сустава во время на месте погрузки: По сравнению с концентрической нагрузки, эксцентричный загрузка узор на аналогичной образца показали повышенную смещение зуба в рамках совместного для данной реакционной нагрузки (рис. 6А). Тем не менее, для волокнистых суставов, получавших PTA никаких существенных различий в общей биомеханики не наблюдалось независимо от состояния нагрузки (фиг.6В). На необработанном но эксцентрично нагруженной системы, увеличение смещения корня в лунки зуба может быть соотнесена с более низкой жесткости, как показано на кривых нагрузка-перемещение (рис. 6С). В то время как не может быть естественным дисперсия приводит к целому ряду биомеханических реакций волокнистых суставов собранных в контрольных группах, РТА-лечение волокнистыйсуставы выставлены повышенную жесткость и перемещенных менее в гнезде по сравнению с необработанными коллегами для данной реакционной пиковой нагрузки. Однако, не было обнаружено изменение формы или продолжительности зазор фазы цикла нагрузки между необработанными и PTA обработанных образцов.
Трехмерная пространственная конфигурация и морфометрия: отображение конфигурации кости зуба в нагруженном условиях с использованием μ-XCT: Виртуальные ломтики, взятые из томограмм были сравнены для иллюстрации 1) движение зуба в гнезде, 2) объединение зубная кость как в 2D и 3D , 3) степень движения в связи с эксцентричным сравнению с концентрической нагрузки. Движение зубов была отмечена наложения аналогичных виртуальных срезов на холостом ходу и при нагрузке и генерирующих GIF фильмов. В то время как обе схемы погрузки обусловлено зуб сместить вертикально в суставе, эксцентричный загрузки конфигурации (рис. 7В и 7С) сaused дополнительный вращательный эффект зуба с корни вращающийся дистально что приводит к снижению PDL пространства вдоль дистальных частей корней по сравнению с концентрическими сканирования нагружения (фиг.7 и 8). Несмотря на то, PTA-окрашенных PDL более смягчающие (рис. 5), движение зуба в лунки зуба в PTA лечение суставов было менее выраженным и коррелирует с биомеханических данных (фиг. 6B и 6C).
Рисунок 1. Адаптированный 15 иллюстрация ключевых местах при подготовке hemimandible для биомеханической тестирования. Показаны в вставкой является hemimandible.
Рисунок 2. Конфигурация Ситу причального устройства и системы μ-XCT в. (А) образ в месте погрузки устройства в пользовательском держателя внутри микро-рентгеновской компьютерной томографии единицу (μ-ХСТ). Концентрические (B) и эксцентричные условия (C) загрузки зависит от типа контакта между наковальней и составной поверхности проиллюстрированы в виде схем и соответствующие экспериментальные установки (регион соответствует выделено белое поле в (А ) соответственно. Маркс от формулирования бумаги подтверждают первоначальную площадь контакта между наковальней и стоматологической композита. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение. </>
Рисунок 3. Кривая представитель во время загрузки, иллюстрирующая систему «зазор». Нагрузка от времени с использованием твердого тела иллюстрирует зазора период как событие между закрытия и открытия наковален. Зеленая область показывает загрузку период, когда наковальни приближаются (зеленый область), чтобы загрузить твердое тело 15 N (A) и 5 N (B, вставка). Синей области указывает период разгрузки, где наковальни втягивания друг от друга. Однако из-за отсутствия мгновенной двигательной реакции из-за времени, необходимого на зубчатой разворота, лежит обратно ресниц период ~ 3 сек. За это время нагрузка снижается примерно на 2 N, прежде чем происходит верно разгрузки. Погрузочно-разгрузочные события могут быть связаны с загрузить против смещения графикас (С), который показывает минимальную смещение во время зазора период. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.
Рисунок 4. Кривые Представительства нагрузка-перемещение и "буксировки" эффект с помощью PDMS Bottom кривые:. Нагрузка времени отношения между PDMS убывающей мономера отношений сшивающих выявить способность ситуа причального устройства в обнаруживать различия в свойствах материала. Топ кривые, слева и справа иллюстрируют изменение зазора системы за счет рекуперации материалов. Левая и правая по сравнению иллюстрируют тот же эффект, что указывает на различие восстановление между 1:25 и 1:05 PDMS минимальна или не находится в пределахПределы обнаружения загрузочного устройства. B) кривые нагрузки смещения для различных материалов, включая твердого тела алюминия, экспериментального образца, а также 3 PDMS образцов. Это наклон 30% линейной части кривой нагружения, который был использован для расчета жесткость материала. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.
Рисунок 5. Рентгеновские виртуальные разделы нижней челюсти вторых моляров, окрашенных для PDL повышения структуры. (A, B) Серый масштабные значения в пределах необработанных моляров указывают рентгеновской ослабление различных тканях, включая более мягких регионах на территории комплекса. Тем не менее, nonmineralized тканей, таких как PDL не были выделены из-за его мinimal ослабления характеристик рентгеновского энергии при 75 кВп. (CF) После PTA окрашивания смягчающих характеристики мягкой PDL были расширены и детали в пределах PDL визуализировали с использованием рентгеновской микроскопии. Таким образом, 2D виртуальный сагиттальной (С-4X увеличение, E-10-кратным увеличением) и поперечные (D-4X увеличение, F-10-кратным увеличением) срезы показывают PDL ориентацией волокон (желтые стрелки). Просвет кровеносных сосудов в эндостальной пространств (оранжевые стрелки) и PDL (белые стрелки) появляются как темные кольцевые структуры, в то время как пульпы пространство остается незапятнанным. Артефакты, созданные во время процедуры окрашивания также отметил (д, красные звездочки). Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.
FO: Пребывание "/ files/ftp_upload/51147/51147fig6highres.jpg" Первоначально "/ files/ftp_upload/51147/51147fig6.jpg" />
Рисунок 6. Концентрически и эксцентрично, загруженные экземпляры. Топ (А) и нижняя панели (B) иллюстрируют Быстрые сроки фильмы отношений зубная кости на холостом ходу и под нагрузкой до 15 Н, концентрически и эксцентрично соответственно. Верхние и нижние панели иллюстрируют связь кость зуба, когда необработанные (А) и окрашенные (B) условия. Центральная панель (С) иллюстрирует различные нагрузки, смещение поведения между эксцентрично и концентрически (слева кривые), загруженные комплексы, и окрашенные и неокрашенные (справа кривые) комплексы. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.
147/51147fig7highres.jpg "Первоначально" / files/ftp_upload/51147/51147fig7.jpg "/>
Рисунок 7. Сагиттальный раздел 2-й моляр показана связь зуба с лунки зуба при загрузке концентрично (А) и эксцентрично (В). Большинство сжатия был замечен в interradicular (наконечники стрел) и вершинные (стрелки) регионы. По сравнению с виртуальных участков зуба в эксцентрической нагрузки (В), дополнительный вращательный компонент из причин движения зубов увеличение компрессии в дистальной части медиальной корня. Наложенные поперечные срезы показывают дальний перевод и по часовой стрелке вращательное движение зуба (зеленые корни) относительно концентрически загруженной зуба (серый). Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.
Рисунок 8. Реконструированный 3D фильмы показывают пониженную PDL-пространство внутри дистальной стороне корня, когда эксцентрично загружен (E) по сравнению с концентрически загруженного сложного (D). Нажмите здесь , чтобы посмотреть эксцентричную загрузку и нажмите здесь , чтобы посмотреть концентрические нагрузки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Первым шагом в создании этого протокола участие оценки жесткости загрузочной рамы с помощью твердое тело. На основании результатов, жесткость была значительно выше, что позволяет использовать загрузочного устройства для дальнейшего тестирования образцов с существенно более низкими значениями жесткости. Второй шаг выделенный способность прибора различать разные значения жесткости при использовании двух фаз кривой погрузочно-разгрузочных, генерируемые с помощью твердого тела, PDMS материалы различных поперечных св плотности и волокнистых суставов. Жесткость из фазы загрузки и буксировки во время зазора фазы были использованы для определения сопротивления материала к погрузке и восстановления материала следующее разгрузки (рисунки 3 и 4). Третий и четвертый этапы протокола были соотнести изменения в кривых нагрузка-смещений, полученных из загрузочного устройства к визуализации на месте сделано с тон использовать рентгеновских лучей (рис. 5). Это включало загрузке суставы и получения томограммы при отсутствии нагрузки и нагрузки, под концентрических и эксцентрических условиях соответственно. Протокол показали, что путем изменения оси нагрузки различия в уровнях PDL-сжатия могут быть выделены (рис. 6 и 7). В этой дискуссии мы сначала выделить инструмент особенности и проблемы, с которыми должны быть адекватно поняты и удовлетворены до биомеханической тестирования комплекса кости PDL-зуба.
Проблемы экспериментальной установки
Композитный наращивание: В то время как сам протокол относительно проста, есть несколько шагов, которые необходимо сделать с большой осторожностью. Один из самых больших проблем в том, чтобы гарантировать, что избыток композитный материал не сделал переполнения в соседних зубов, которые затем механически связывают несколько зубов и искажать совместное механикиИС из одного зуба. Поскольку значительная ловкость рук и знания стоматологических инструментов оказалась полезной для этой процедуры, подготовка образцов для загрузки в первую очередь осуществляется студентов-стоматологов и зубных врачей при содействии оптического увеличения.
В соответствии схема нагружения: Еще одна важная деталь для биомеханической тестирования было обеспечить последовательную схему загрузки. Площадь контакта между челюсти на месте загрузочного устройства и противоположной поверхности композита оказалась очень важно для эксперимента. Это потому, что механика волокнистого сустава может изменить в результате площади контакта, который был смоделирован в этом исследовании с помощью концентрические и эксцентрические (несимметричный) нагрузки. Сценарий представлены в данном исследовании, имитирует возможных изменений в окклюзии зубов млекопитающих, которые могли бы привести к изменению в движении зубов в альвеолярном гнездо (рис. 5). Хотя понятно, тхат предложенный механизм тестирования не имитировать физиологическое цикл жевания, она представляет себя в качестве стандартного метода тестирования. Путем создания композитного накопления с поверхности, параллельной челюсти на этапе загрузки, мы смогли произвести последовательную загрузку шаблон. Это стандартный метод тестирования может быть использован для выявления изменений в биомеханике костного-PDL-зубных комплексов из различных экспериментальных групп.
Чувствительность на месте загрузочного устройства: экспериментальный протокол описывает способы проверки пределы обнаружения наблюдений в точке загрузочного устройства с помощью трех различных образцов, два из которых можно рассматривать как стандартных материалов. Жесткость загрузочной рамы при тестировании с алюминием была значительно выше при незначительном вкладе в наблюдаемой механического поведения различных PDMS образцов и биомеханической ответ волокнистого сустава. В то время как все образцы испытаны имел люфт период~ 3 сек, форма зазора части слегка колебалась (4А) в зависимости от типа образца. Жесткие образцы выставлены резкое снижение реакционной нагрузки (рис. 3А и 4А), а более мягкие образцы не обнаруживают резкое снижение (рис. 4А). Можно утверждать, что разница в люфта поведения приписывается способность образца отодвинуть на механизмы во время передачи обращения. Толчок назад эффект на механизмы могут проявляться в более низкое падение пиковой реакционной реакции материала как челюсть начинает удаляться от образца. Таким образом, зазор сегмент может быть использована для пополнения проникновения в суть материального свойства. Жесткость значения PDMS рассчитывали из кривых замещения нагрузки были в согласии с литература значения 22, а диапазон жесткости для сшитых PDMS были в пределах комплекса костного PDL-зуба. Таким образом, Ситу загрузки г вevice подходит для измерения смещения и реакционную реакцию зуба как он сжимается в лунки зуба. Реакционная ответ может быть от мягких и / или твердых составляющих. Доминирование более мягкой составляющей над тем сложнее могут быть идентифицированы путем загрузки постепенно и обработки изображений, а затем в цифровой форме не коррелируют без нагрузки на загруженных условиях определить деформации преобладают регионы в кости PDL-зуба комплекса 13.
Главный компонент жевания в осевом направлении: Как и люди, жевание цикл крыс привлечь свободное движение нижней челюсти жевать пищу 23, 24. Хотя это движение был картирован до включают много различных направлений, таких как боковых движений, основным компонентом нагрузки, как полагают, в осевом направлении 23. Таким образом, моделируется в точке нагрузок в осевом направлении были размещены либо концентрическийлы или эксцентрично (рис. 2).
Экспериментальные факторы, которые могут повлиять результаты, связанные с биомеханики уровня орган: преимущество сочетания рентгеновской микроскопии с на месте погрузки в том, что кривая нагрузки смещения могут быть соотнесены с пространственной ассоциации зуба с лунки зуба, форме корня и альвеолярной поверхности, а также сужение и расширение PDL-пространстве под нагрузкой. Корреляция и дополняют оценка обеспечивает целостный подход для определения органов биомеханику. В прошлом это было только предположение, что механика органа и / или тканей может подсказать поведение нагрузки смещение. Этот протокол показано, что ассоциация движущихся элементов, когда под нагрузкой также может быть определяющей характеристикой наблюдаемой жесткости. Любые изменения, наблюдаемые в течение первого 5-8 N, как полагают, будет внесена качества PDL начальная конформационные изменения вколлагена и интерстициальный обмен жидкости с минимальным сопротивлением для загрузки; этот регион был передан в качестве "uncrimping" области 26. Грузы выше, чем 7 Н может быть внесена зуба, кости, упрочнения последствий периодонтальной связки и интерфейсов, присущие ткани. Как только PDL-пространство сводится к минимуму и как PDL подвергается деформационного упрочнения, взаимодействия твердых тканей между зубом и костной гнездо возникают на interradicular регионе, в результате чего более крутым нагрузки к смещению склону. В дополнение к рекуперации материалов, зазор загрузочного устройства могут быть использованы для исследования вязкоупругих характер PDL без изменения сустава как это было сделано в других исследованиях 16, 25.
Общие регионы в кривых замещения грузовых коррелируют с некоторых мероприятий в рамках сустава. Вышеуказанные события являются общие знаменатели между двумя схем погрузки. Тем не менее, различиямежду концентрических и эксцентрических профилей нагрузки смещения и соответствующие томограмм подчеркнул влияние направления нагрузки на общие биомеханики органов. Основным источником этих различий было введение поворота зуба, как это смещает в суставе, в результате чего сжатие PDL пространств в конкретных областях. Понятно, что нормальные физиологические нагрузки применяются на зуб в нескольких направлениях, включая те, которые ввести вращательное движение зуба. Тем не менее, рекомендуется, чтобы концентрическими схема погрузки быть использован в качестве стандартной загрузки схемы из-за сложности применения "стандартный" эксцентричный нагрузки во всех образцах. Как таковой этот экспериментальный протокол может быть использован для дифференциации биомеханические различия между адаптированными и nonadapted систем.
Один из недостатков использования более высоких рентгеновские лучи энергии является то, что они минимально поглощается мягкими тканями и получают недостаточное контраст. PDL является прозрачныминт для рентгеновских лучей и в результате делает необходимым использование контрастных веществ. ПТА усиливает контрасты мягких тканей путем прямого окрашивания 27-29 и создавая возможности для визуализации с помощью рентгеновских лучей. Таким образом, с помощью контрастных агентов, видимый деформацию в пределах окрашенных областей мягких тканей между загружать и выгружать томографии наблюдалось, однако при большем увеличении (по крайней мере в 10 раз) рекомендуется для анализа (данные не показаны). Ограничение протокола окрашивания включали использование этанола, мягкий фиксатор 29, который мог бы изменить жесткость PDL и общих совместных механики ведущих к ошибочным выводам.
ВЫВОДЫ
Это исследование подчеркивает протокол роман тестирования для анализа биомеханической реакции интактной кости PDL-зуба волокнистого сустава, но под Экс Vivo условиях. Описанный метод Экспериментальная в том числе почтовых анализа данных может быть использован для измерения воздействия эксперитальные переменные (т.е. болезнь, факторы роста, возраста, и терапевтические молекулы) на механике кости PDL-зуба волокнистого сустава. Кроме того, результаты этих экспериментов будет служить основой для которой отношения между вариациями на макромасштабном уровне органа может быть связано с конкретными изменениями в тканях и клеточном уровнях. Ограничения протокола включают, изображений под Экс Vivo условиях, использование контрастных веществ, а потери в пространственной точностью между поверхностями зуба и лунки зуба из-за релаксации тканей во время более длительного времени приобретения необходимых для производства томограммы.
Дополнительного материала
Протокол о биомеханических испытаний моляров в пределах максилл:
1. Если максиллы были пройти проверку, снимите верхнюю челюсть от каждой крысы черепа с вентральной (крыши рта) вверх. Sever мышцы и связки соединительной ткани отбоковая сторона черепа за счет сокращения через вестибюль (карманные между деснами и щекой).
2. Пропальпируйте и перелом скуловой отросток верхнечелюстной кости черепа и разорвать скуловой дуги из верхнечелюстной кости.
3. Разрежьте череп прямо вниз с парой массивных ножницами рассечение через мозг, начиная с мягкого неба. Изолировать передней поверхности черепа и очистить кожу головы от спинной части (вверху) черепа.
4. С парой тонких ножниц рассечение, отделить правый и левый hemimaxillae, сделав надрез, который следует по прямой линии, проходящей через центр твердого неба и к интерпроксимальной области между резцами. Убедитесь в том, что глубина разреза мелкий - только достаточно глубоко, чтобы проколоть твердое небо.
5. Изолировать hemimaxillae, сделав перпендикулярно (к длинной оси черепа) разрезывпереди первого моляра и кзади от третьего моляра. 1) не вырезано слишком близко к первому и третьего моляра для этого может нарушить структуру корней, 2) Не копировать далеко десневой ткани, окружающие все три коренные зубы. Отделите hemimaxillae из черепа путем разрезания тонкий верхнечелюстной кости превосходит каждого hemimaxilla. Удалите излишки ткани и костные спикулы.
Проверка механического испытательного устройства:
Для того чтобы определить жесткость загрузочной рамы и дрейф преобразователей нагрузки / смещения, используя твердое тело, такого как алюминий с модулем упругости намного выше, чем у экспериментальных образца.
Чтобы определить, прибор способен дифференцировать различные жесткости значения представителя мягких элементов, изготовление PDMS блоки с различными сшивки плотностей (1:05, 1:10, 1:25 сшиватель на базу по весу) и загружать их, используя то же самоев Ситу загрузочного устройства.
Режим Контрастность Фаза для контрастного усиления мягких элементов: Повышение контрастности от PDL может быть сделано за счет использования контрастность режим фазового сканера. По сути, фазовый контраст использует сканер возможности обнаружения сдвига по фазе на краях тканей, и обеспечивает повышенную структурную деталь. В результате, в этом исследовании, лакуны cementocyte-лакун и остеоцитарного-лакун появились пористости в пределах соответствующих минерализованных тканей. Эти структуры были ранее незамеченными в стандартном режиме сканирования при абсорбции. Томограммы приобрел в режиме передачи, допустимой для визуализации структур внутри негативном пространстве, а именно PDL-пространства и эндостальной пространств в том числе гаверсовых системы каналов (для 3D-модели см. рисунок S1). Дополнительные структуры в PDL-пространстве можно представить, например, такие как сосудистой, непрерывной, с которым ян кости.
Уравновешивали грузы для приобретения томограммы и системы дрейфа:. Этом разделе можно лучше всего объяснить, ссылаясь на Дополнительного рисунке 2 Рисунок S2A демонстрирует необходимость уравновесить пиковые нагрузки до приобретения томограммы. Пиковые нагрузки неизменно распадаются на более низкую величину и система должна быть уравновешенной, по крайней мере за час до 6-8 час томограмма приобретается. Следует отметить, что томограмма приобрела не является представителем ассоциации кости зуба на пиковой нагрузки, но при нагрузке 2-3 N ниже пиковой нагрузки. Кроме того, измеряется система дрейф определены с использованием жесткой алюминиевой заглушки обнаружено изменение со скоростью перемещения и / или пиковых нагрузок (рис. S2b и S2C). Аппроксимируется значения дрейфа в диапазоне от + 1 N / час.
После механических испытаний, томограмма волокнистого сустава было принято на холостом ходу, и к пиковой нагрузке с желаемой скоростью перемещения. До приобретения томограмму под загружалась условиях, следует проявлять осторожность, чтобы позволить системе прийти к равновесию (стабильность) после чего сканирование должны продолжить. Аналогичные условия были повторены для эксцентрично груженых и PTA окрашенных комплексов. Из томограмм, виртуальные срезы по сравнению без нагрузки на загруженных условиях с целью выявления связи зубная кости как в двух-и трех измерениях.
Справочная Рисунок 1. 3D реконструкция негативном пространстве с использованием фазового контраста повышенную рентгеновской микроскопии. Согласно фазовой режиме контрастного усиления фазового сдвига, который происходит на краях ткани была использована для выделения кровеносные сосуды в PDL. В частности режим поглощения (слева) подчеркнул минерализованных тканей в поле зрения, в то время как режим передачи (справа) обратил внимание на кровеносные сосуды в PDL пространстве, а эндостальной пространства.
палатка "> Справочная Рисунок 2. Распад пиковых реакционных сил в состояние равновесия до CT-сканирование. Кривые показывают различные скорости распада реакционных ответ волокнистого сустава (верхней панели), и твердое тело (нижняя панель).Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы признают финансовую поддержку NIH / NIDCR R00DE018212 (SPH), NIH/NIDCR-R01DE022032 (SPH), NIH / NIDCR T32 DE07306 (AJ, ЛЗЕ), NIH / NCRR S10RR026645, (SPH) и отделы профилактической и восстановительной стоматологических наук и Орофациальные наук, UCSF. Кроме того, авторы признают Xradia стипендий (AJ), Xradia Inc, Плезантон, CA.
Авторы благодарят доктора Кэтрин Grandfield, UCSF за помощь с последующей обработки данных; д-ра. Стивен Вайнер и Гили Наве, Институт Вейцмана в Реховоте, Израиль, д-р Рон Шахар, Еврейский университет Иерусалима, Израиль для их содержательные дискуссии, характерных для наблюдений в точке загрузочного устройства. Авторы также хотели бы поблагодарить биоматериалов и биоинженерии MicroCT обработки изображений объекта в UCSF для использования Micro XCT и на месте загрузочного устройства.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Popowics, T. E., Rensberger, J. M., Herring, S. W. Enamel microstructure and microstrain in the fracture of human and pig molar cusps. Arch. Oral Biol. 49, 595-605 (2004).
- Jantarat, J., Palamara, J. E., Messer, H. H. An investigation of cuspal deformation and delayed recovery after occlusal loading. J. Dent. 29, 363-370 (2001).
- Jantarat, J., Panitvisai, P., Palamara, J. E., Messer, H. H. Comparison of methods for measuring cuspal deformation in teeth. J. Dent. 29, 75-82 (2001).
- Asundi, A., Kishen, A. A strain gauge and photoelastic analysis of in vivo strain and in vitro stress distribution in human dental supporting structures. Arch. Oral Biol. 45, 543-550 (2000).
- Asundi, A., Kishen, A. Advanced digital photoelastic investigations on the tooth-bone interface. J. Biomed. Opt. 6, 224-230 (2001).
- Wang, R. Z., Weiner, S. Strain-structure relations in human teeth using Moire fringes. J. Biomech. 31, 135-141 (1998).
- Wood, J. D., Wang, R., Weiner, S., Pashley, D. H. Mapping of tooth deformation caused by moisture change using moire interferometry. Dent. Mater. 19, 159-166 (2003).
- Dong-Xu, L., et al. Modulus of elasticity of human periodontal ligament by optical measurement and numerical simulation. Angle Orthod. 81, 229-236 (2011).
- Li, J., Li, H., Fok, A. S., Watts, D. C. Multiple correlations of material parameters of light-cured dental composites. 25, 829-836 (2009).
- Zhang, D., Arola, D. D. Applications of digital image correlation to biological tissues. J. Biomed. Opt. 9, 691-699 (2004).
- Zhang, D., Mao, S., Lu, C., Romberg, E., Arola, D. Dehydration and the dynamic dimensional changes within dentin and and enamel. Dent. Mater. 25, 937-945 (2009).
- Qian, L., Todo, M., Morita, Y., Matsushita, Y., Koyano, K. Deformation analysis of the periodontium considering the viscoelasticity of the periodontal. 25, 1285-1292 (2009).
- Lin, J. D., et al. Biomechanics of a bone-periodontal ligament-tooth fibrous joint. J. Biomech. , (2012).
- Qian, L., Todo, M., Morita, Y., Matsushita, Y., Koyano, K. Deformation analysis of the periodontium considering the viscoelasticity of the periodontal. 25, 1285-1292 (2009).
- Huelke, D. F., Castelli, W. A. The blood supply of the rat mandible. Anat. Rec. 153, 335-341 (1965).
- Chiba, M., Komatsu, K. Mechanical responses of the periodontal ligament in the transverse section of the rat mandibular incisor at various velocities of loading in vitro. J. Biomech. 26, 561-570 (1993).
- Natali, A. N., et al. A visco-hyperelastic-damage constitutive model for the analysis of the biomechanical response of the periodontal ligament. J. Biomech. Eng. 130, (2008).
- Naveh, G. R., Shahar, R., Brumfeld, V., Weiner, S. Tooth movements are guided by specific contact areas between the tooth root and the jaw bone: A dynamic 3D microCT study of the rat molar. J. Struct. Biol. 177, 477-483 (2012).
- Lin, J. D., et al. Biomechanics of a bone-periodontal ligament-tooth fibrous joint. J. Biomech. 46, 443-449 (2013).
- Metscher, B. D. MicroCT for comparative morphology: simple staining methods allow high-contrast 3D imaging of diverse non-mineralized animal tissues. BMC Physiol. 9, 11 (2009).
- Carrillo, F., et al. Nanoindentation of polydimethylsiloxane elastomers: Effect of crosslinking, work of adhesion, and fluid environment on elastic modulus (vol 20, pg 2820). J. Mater. Res. 21, 535-537 (2006).
- Hiiemae, K. M. Masticatory function in the mammals. J. Dent. Res. 46, 883-893 (1967).
- Hunt, H. R., Rosen, S., Hoppert, C. A. Morphology of molar teeth and occlusion in young rats. J. Dent. Res. 49, 508-514 (1970).
- Komatsu, K., Sanctuary, C., Shibata, T., Shimada, A., Botsis, J. Stress-relaxation and microscopic dynamics of rabbit periodontal ligament. J. Biomech. 40, 634-644 (2007).
- Lin, J. D., et al. Biomechanics of a bone-periodontal ligament-tooth fibrous joint. J. Biomech. 46, 443-449 (2013).
- Quintarelli, G., Zito, R., Cifonelli, J. A. On phosphotungstic acid staining. I. J. Histochem. Cytochem. 19, 641-647 (1971).
- Quintarelli, G., Cifonelli, J. A., Zito, R. On phosphotungstic acid staining. II. J. Histochem. Cytochem. 19, 648-653 (1971).
- Quintarelli, G., Bellocci, M., Geremia, R. On phosphotungstic acid staining. IV. Selectivity of the staining reaction. J. Histochem. Cytochem. 21, 155-160 (1973).
- Crabtree, W. N., Murphy, W. M. The value of ethanol as a fixative in urinary cytology. Acta Cytol. 24, 452-455 (1980).
