נוקשות מתכוונן, תופסנים חיצוניים למודלים של עכברי ירך osteotomy ומגזרי עצם הפגם
Summary
One constraint of preclinical research in the field of bone repair is the lack of experimental control over the local mechanical environment within a healing bone lesion. We report the design and use of an external fixator for bone repair with the ability to change fixator stiffness in vivo.
Abstract
הסביבה המכנית סביב הריפוי של עצם שבורה היא מאוד חשובה כמו זה קובע את הדרך שבר ירפא. בעשור האחרון חלה התעניינות קלינית רבה בשיפור ריפוי עצם על ידי שינוי הסביבה המכנית באמצעות יציבות הקיבוע מסביב לפצע. אילוץ אחד ממחקר בבעלי חיים פרה קליני בתחום זה הוא חוסר שליטה ניסיונית על הסביבה המכנית המקומית בפגם מגזרי גדול כמו גם osteotomies כפי שהם לרפא. במאמר זה אנו מדווחים על העיצוב ושימוש בתופסנים חיצוניים ללמוד הריפוי של פגמי עצם מגזרי גדולים או osteotomies. מכשיר זה מאפשר לא רק לנוקשות ציריות הנשלטות על נגע העצם כפי שהוא מרפא, אבל זה גם מאפשר השינוי של קשיחות בתהליך ריפוי in vivo. הניסויים שנערכו הראו כי תופסנים הצליחו לשמור על פער פגם הירך 5 מ"מ בחולדות in vivo בכלוב בלתי מוגבלפעילות ללפחות 8 שבועות. כמו כן, אנו לא הבחנו בעיוות או זיהומים, כולל דלקות סיכה במשך כל תקופת ההחלמה. תוצאות אלו מראות כי תופסנים החיצוניים החדש שפותחו שלנו הצליחו להשיג ייצוב לשחזור וסטנדרטי, והשינוי של הסביבה המכנית של פגמי עצם גדול in vivo חולדה וosteotomies גודל השונים. זו מאשרת כי מכשיר הקיבוע החיצוני הוא גם מתאים לחקירות מחקר פרה קליניות תוך שימוש במודל חולדה בתחום התחדשות עצם ותיקון.
Introduction
מספר המחקרים השתפרו ההבנה של המנגנונים הביולוגיים המעורבים בתיקון רקמות עצם 1-6 שלנו. ההשפעות של תנאים מכאניים על תיקון עצם כגון צירי, גזירה ותנועות interfragmentary (IFMs) נחקרו רבות 7-15. בשנים האחרונות, יותר ויותר מחקרים החלו לצוץ המתארים את ההשפעה של סביבה מכאנית על ריפוי עצם באמצעות שבר, osteotomy ופגם עצם מגזרי גדול במודלי vivo. לכן, יש צורך בשיטות קיבוע אמין כדי לקבל תוצאות מחקר לשחזור ואמינות.
הסביבה המכנית סביב השבר הריפוי היא מאוד חשובה כמו זה קובע את הדרך שבר ירפא. לפיכך, הבחירה של מכשיר קיבוע היא מאוד חשובה וצריך להיות שנבחרה בקפידה בהתאם לעיצוב המחקר, וגורמים אחרים כמו גודל פער והסוג של שבר. תכונות מכאניות של מכשיר הקיבועמחדש אפילו יותר חשוב כאשר לומדים ריפוי הגרמי של פגמי עצם גדולים להקים קיבעון שמספק גודל לא רק קבוע פער לאורך כל תקופת הניסוי של משקל כולל נושאים, אלא גם סביבה מכאנית אידיאלית לעצם הריפוי. תופסנים חיצוניים משמשים בדרך כלל שבבר ודגמי ריפוי גדול פגם עצם ניסיוני כי יש להם יתרון על פני מכשירים אחרים קיבעון. היתרון העיקרי של תופסנים חיצוניים הם שהם מאפשרים לשינוי של הסביבה המכנית באתר הפגם in vivo ללא התערבות משנית, אשר יכול להיות מושגת על ידי שינוי או התאמת בר היציבות של המכשיר במהלך הניסוי כ ריפוי עצם מתקדם. יתר על כן, הוא מאפשר היישום של גירוי מכאני מקומי ספציפי כדי לשפר את התיקון של עצם, וגם מספק את הפוטנציאל למדוד את הנוקשות של רקמת יבלת in vivo. אף על פי כן, ההתקנים יש גם כמה חסרונותהכולל: גירוי של רקמות רכות, זיהומים ושבירת סיכה.
לרוע המזל, שתלים כאלה לא היו זמינים "מהמדף" בעת פיתוח השתל, וחוקרים נאלצו עיצוב מותאם אישית תופסנים שלהם לשימוש מיועד. לכן, מגבלה אחת של מחקר בתחום זה היה חוסר שליטה ניסיונית על הסביבה המכנית המקומית בפגם מגזרי גדול כמו גם osteotomies כפי שהוא מרפא. המאפיינים מכאניים של תופסנים חיצוניים מוגדרים על ידי, ויכולים להיות מווסת על ידי, מספר גדול מאוד של משתנים הכוללים: המרחק בין סיכות, קוטר סיכה, חומר הסיכה, מספר הפינים, אורך בר, קיבוע, מספר בר, קיבוע, חומר תופסנים בר, עובי בר, קיבוע ואת המרחק ממשטח העצם לבר, הקיבוע (בקיזוז). באופן מפתיע, רק מיעוט מחקרים נמצא שחקרה את התרומות מכאניות של הרכיבים הבודדיםשל תופסנים או תצורות מסגרת שלמות המשמשים במחקרים במכרסמים 16,18,28. לדוגמא, התוצאות של מחקר אחד הראו כי אחד מהגורמים המרכזיים בקביעת הקשיחות הכוללת של מבנה הקיבעון נשלט על ידי הגמישות של הסיכות ביחס לקיזוז נכסי 28, קוטר וחומר. התוצאות מהמחקרים שתוארו לעיל באופן ברור מצביעות על כך שלדעת הסביבה המכנית המסופקת על ידי מכשיר הקיבוע הוא מאוד חשוב, ובכל זאת, במקרים רבים לא נחקר בפירוט. הנייר הנוכחי מדווח השתלת עיצוב, מפרטים, וin vivo של תופסנים חיצוניים המתייחס לנושא זה. תופסנים זה גם מאפשר לאפנון של הסביבה המכנית כריפוי מתקדם, רכוש, המאפשר המחקר של מיכני הרגישות של שלבים שונים של תהליך ריפוי in vivo. בנוסף, כמו גם הטלת מכונאי מקומי מבוקר ולשעתקסביבת אל, הנגישות שלה מאפשרת גם האפנון של סביבה זו בשלבים שונים של ריפוי עצם.
תופסנים עיצבנו התבססו על קיבוע חיצוני, אשר נמצא בשימוש נרחב לקיבוע שבר 16-21 ודגמי פגם גדולים בחיות מעבדה 22-27. ההבדל בין תופסנים החיצוניים שלנו והעיצובים הקיימים האחרים המדווחים בספרות הוא שבר היציבות שלהם מאובטח באמצעות ברגים שיש אחיזה הדוקה עם חוטי קירשנר (K-חוטים). סוג זה של עיצוב דורש ברגים כדי להיות retightened דו שבועי (לפעמים אפילו שבועי) כדי לוודא שהמרחק של הקיזוז נשמר כטעינה מיושמת באמצעות נשיאת משקל כדי למנוע ההתרופפות של בר היציבות. אם התרופפות כזו מתרחשת, היא מאפשרת לתנאי העמסה נוספים לא רצויים כגון זוויתי, רוחבי ותנועות גזירת torsional לעצם הריפוי (המבוסס על ניסיון אישי, תקשורת עם Researchers). ידיעה זו, תופסנים חיצוניים תוכנן ככזה שכאשר את הנוקשות של תופסנים צריכה להיות שונה, זה יושג על ידי הסרת חיבור אלמנטים המצורפים למודול העיקרי שבו סיכות ההרכבה הן מוטבע. In vivo ניסוי הפיילוט בוצע באב טיפוס תופסנים החיצוניים החדש כדי לוודא שהיא עומדת בכל דרישות שהוצעו לפני שהוא מיוצר בכמויות גדולות יותר.
המטרה העיקרית למאמר זה היא להציג שיטה כירורגית חדשה לתופסנים חיצוניים המשמשים לפגמי עצם גדולים וosteotomies בחולדה עם היכולת לשנות את קשיחות in vivo במהלך תהליך הריפוי. שיטת קיבוע זו מיושמת בvivo על femora של חולדות.
Protocol
Representative Results
Discussion
השלבים הקריטיים ביותר של הליך כירורגי כדי ליצור פגם עצם גדול הם: 1) בחירת משקל הגוף המתאים של החולדה כדי להתאים את הגודל של תופסנים החיצוניים; 2) שמירה על סביבת סטרילית במהלך ההליך; ו 3) הבא פרוטוקול ההליך כירורגי.
המטרות העיקריות של …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי קרן AO (S-08-42G) וRISystem AG.
ברצוננו להרחיב מאוד גדול "תודה לך!" לצוות של סטפן Zeiter במחקר AO מכון דאבוס, שווייץ בשביל להיות כל כך אדיב ובמאפשר לנו להשתמש במתקנים שלהם או לצילומים של הליך כירורגים זה.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| RatExFix simple 100% | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.612.120 | |
| RatExFix simple 70% | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.612.123 | |
| RatExFix simple 40% | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.612.121 | |
| RatExFix simple 10% | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.612.122 | |
| RatExFix Connection element 100% | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.612.130 | |
| RatExFix Connection element 70% | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.612.131 | |
| RatExFix Connection element 40% | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.612.132 | |
| RatExFix Connection element 10% | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.612.133 | |
| RatExFix Main body | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.611.101 | |
| RatExFix InterlockingScrew | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.412.110 | |
| RatExFix Mounting pin 0.85 mm | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.412.100 | |
| RatExFix Saw Guide 100% 5 mm | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.312.100 | |
| Accu Pen 6V+ | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.390.211 | |
| HandDrill | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.390.130 | |
| Drill Bit 0.79 mm | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.593.203 | |
| Gigly wire saw 0.22 mm | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.590.100 | |
| Square box wrench 0.70 mm | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.590.112 | |
| Square box wrench 0.50 mm | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.590.111 | |
| Centering bit 1.00 mm | RISystem AG Davos, Switzerland | RIS.592.205 | |
| Scalpel Blade handle | Fine Science tools | ||
| Scalpel Blade (Size 15) | Fisher Scientific | ||
| Tissue Forceps | Fine Science tools | ||
| Scissors | Fine Science tools | ||
| Retractor | Fine Science tools | ||
| Needle Holder | Fine Science tools | ||
| Henahan Elevator | Fine Science tools | ||
| S-shape curved dissecting and ligature forceps | Fine Science tools | 2 | |
| Dressing Forceps | Fine Science tools | 2 | |
| Sterile Fenestrated drape | Fisher Scientific | for surgery | |
| Sterile gauze | Fisher Scientific | for surgery | |
| 5 ml syringe | Fisher Scientific | for irrigation of defect | |
| 24-27G needle | Fisher Scientific | for irrigation of defect | |
| 1cc Insulin syringes | Fisher Scientific | for drug injections | |
| sterile saline | Fisher Scientific | for bone defect irrigation | |
| sterile gloves | Fisher Scientific | to perform surgeries | |
| chlorohezadine | Fisher Scientific | disinfecting solution for surgical site | |
| Vicryl suture 4-0 with SH-1 | Fisher Scientific | to suture muscle | |
| Ethibond suture 3-0 | Fisher Scientific | to suture skin | |
| Isofluorine | Sigma-Aldrich | for anesthesia | |
| Buprenorphine | Sigma-Aldrich | analgesia during and after the surgery | |
| Cefazolin | Sigma-Aldrich | antibiotic during and after the surgery | |
| Sprague-Dawley Rats or any other strain | Charles River Laboratories International, Inc. (Wilmington, MA USA) |
References
- Einhorn, T. A., Lane, J. M., Burstein, A. H., Kopman, C. R., Vigorita, V. J. The healing of segmental bone defects induced by demineralized bone matrix. A radiographic and biomechanical study. J Bone Joint Surg Am. 66, 274-279 (1984).
- Feighan, J. E., Davy, D., Prewett, A. B., Stevenson, S. Induction of bone by a demineralized bone matrix gel: a study in a rat femoral defect model. J Orthop Res. 13, 881-891 (1995).
- Hunt, T. R., Schwappach, J. R., Anderson, H. C. Healing of a segmental defect in the rat femur with use of an extract from a cultured human osteosarcoma cell-line (Saos-2). A preliminary report. J Bone Joint Surg Am. 78, 41-48 (1996).
- Jazrawi, L. M., et al. Bone and cartilage formation in an experimental model of distraction osteogenesis. J Orthop Trauma. 12, 111-116 (1998).
- Probst, A., Jansen, H., Ladas, A., Spiegel, H. U. Callus formation and fixation rigidity: a fracture model in rats. J Orthop Res. 17, 256-260 (1999).
- Richards, M., Huibregtse, B. A., Caplan, A. I., Goulet, J. A., Goldstein, S. A. Marrow-derived progenitor cell injections enhance new bone formation during distraction. J Orthop Res. 17, 900-908 (1999).
- Aro, H. T., Chao, E. Y. Bone-healing patterns affected by loading, fracture fragment stability, fracture type, and fracture site compression. Clin Orthop Relat Res. , 8-17 (1993).
- Augat, P., et al. Shear movement at the fracture site delays healing in a diaphyseal fracture model. J Orthop Res. 21, 1011-1017 (2003).
- Augat, P., et al. Local tissue properties in bone healing: influence of size and stability of the osteotomy gap. J Orthop Res. 16, 475-481 (1998).
- Claes, L., Augat, P., Suger, G., Wilke, H. J. Influence of size and stability of the osteotomy gap on the success of fracture healing. J Orthop Res. 15, 577-584 (1997).
- Claes, L., Eckert-Hubner, K., Augat, P. The fracture gap size influences the local vascularization and tissue differentiation in callus healing. Langenbecks Arch Surg. 388, 316-322 (2003).
- Duda, G. N., et al. Interfragmentary motion in tibial osteotomies stabilized with ring fixators. Clin Orthop Relat Res. , 163-172 (2002).
- Goodship, A. E., Watkins, P. E., Rigby, H. S., Kenwright, J. The role of fixator frame stiffness in the control of fracture healing. An experimental study. J Biomech. 26, 1027-1035 (1993).
- Williams, E. A., Rand, J. A., An, K. N., Chao, E. Y., Kelly, P. J. The early healing of tibial osteotomies stabilized by one-plane or two-plane external fixation. J Bone Joint Surg Am. 69, 355-365 (1987).
- Wu, J. J., Shyr, H. S., Chao, E. Y., Kelly, P. J. Comparison of osteotomy healing under external fixation devices with different stiffness characteristics. J Bone Joint Surg Am. 66, 1258-1264 (1984).
- Harrison, L. J., Cunningham, J. L., Stromberg, L., Goodship, A. E. Controlled induction of a pseudarthrosis: a study using a rodent model. J Orthop Trauma. 17, 11-21 (2003).
- Kaspar, K., Schell, H., Toben, D., Matziolis, G., Bail, H. J. An easily reproducible and biomechanically standardized model to investigate bone healing in rats, using external fixation. Biomed Tech (Berl). 52, 383-390 (2007).
- Mark, H., Bergholm, J., Nilsson, A., Rydevik, B., Stromberg, L. An external fixation method and device to study fracture healing in rats. Acta Orthop Scand. 74, 476-482 (2003).
- Mark, H., Nilsson, A., Nannmark, U., Rydevik, B. Effects of fracture fixation stability on ossification in healing fractures. Clin Orthop Relat. Res. , 245-250 (2004).
- Mark, H., Rydevik, B. Torsional stiffness in healing fractures: influence of ossification: an experimental study in rats. Acta Orthop. 76, 428-433 (2005).
- McCann, R. M., et al. Effect of osteoporosis on bone mineral density and fracture repair in a rat femoral fracture model. J Orthop Res. 26, 384-393 (2008).
- Betz, O. B., et al. Direct percutaneous gene delivery to enhance healing of segmental bone defects. J Bone Joint Surg Am. 88, 355-365 (2006).
- Cullinane, D. M., et al. Induction of a neoarthrosis by precisely controlled motion in an experimental mid-femoral defect. J Orthop Res. 20, 579-586 (2002).
- Dickson, G. R., Geddis, C., Fazzalari, N., Marsh, D., Parkinson, I. Microcomputed tomography imaging in a rat model of delayed union/non-union fracture. J Orthop Res. 26, 729-736 (2008).
- Jager, M., Sager, M., Lensing-Hohn, S., Krauspe, R. The critical size bony defect in a small animal for bone healing studies (II): implant evolution and surgical technique on a rat’s femur. Biomed Tech (Berl). 50, 137-142 (2005).
- Betz, V. M., et al. Healing of segmental bone defects by direct percutaneous gene delivery: effect of vector dose. Hum Gene Ther. 18, 907-915 (2007).
- Glatt, V., et al. Ability of recombinant human bone morphogenetic protein 2 to enhance bone healing in the presence of tobramycin: evaluation in a rat segmental defect model. J Orthop Trauma. 23, 693-701 (2009).
- Willie, B., Adkins, K., Zheng, X., Simon, U., Claes, L. Mechanical characterization of external fixator stiffness for a rat femoral fracture model. J Orthop Res. 27, 687-693 (2009).
- Hess, T., Hopf, T., Fritsch, E., Mittelmeier, H. Comparative biomechanical studies of conventional and self-tapping cortical bone screws. Z Orthop Ihre Grenzgeb. 129, 278-282 (1991).
- Glatt, V., Evans, C. H., Matthys, R. Design, characterisation and in vivo testing of a new, adjustable stiffness, external fixator for the rat femur. Eur Cell Mater. 23, 289-298 (2012).
- Glatt, V., et al. Improved healing of large segmental defects in the rat femur by reverse dynamization in the presence of bone morphogenetic protein-2. J Bone Joint Surg Am. 94, 2063-2073 (2012).
