Abstract
Den mekaniske miljøet rundt helbredelse av ødelagte bein er svært viktig fordi det avgjør hvordan bruddet vil gro. Gjennom det siste tiåret har det vært stor klinisk interesse i å forbedre bein healing ved å endre den mekaniske miljø gjennom fiksering stabilitet rundt lesjonen. En begrensning av preklinisk dyr forskning på dette området er mangelen på eksperimentell kontroll over lokal mekanisk miljø innenfor en stor segmental defekt samt osteotomier som de leges. I denne artikkelen rapporterer vi på design og bruk av en ekstern fixator å studere helbredelse av store segmental bein defekter eller osteotomier. Denne enheten ikke bare tillater kontrollert aksial stivhet på skjelettlesjon som det helbreder, men også gjør det mulig for endring av stivhet under helbredelsesprosessen in vivo. De gjennomførte forsøk har vist at de feste-midler var i stand til å opprettholde en 5 mm femorale defekter gap hos rotter in vivo under ubegrenset buraktivitet i minst 8 uker. Likeledes, observerte vi ingen forvrengning eller infeksjoner, inkludert pin infeksjoner under hele healing perioden. Disse resultater viser at vår nylig utviklet ytre feste-midler var i stand til å oppnå en reproduserbar og standardisert stabilisering, og den endring av den mekaniske miljø av in vivo rotte stort bendefekter og diverse størrelse osteotomier. Dette bekrefter at den utvendige fikseringsanordning er godt egnet for forsknings prekliniske undersøkelser ved hjelp av en rottemodell på området benregenerering og reparasjon.
Introduction
En rekke studier har forbedret vår forståelse av de biologiske mekanismene som er involvert i benvev reparasjon 1-6. Effektene av mekaniske forhold på bein reparasjon som aksial, skjær og interfragmentary bevegelser (IFM) har blitt studert 7-15. I de siste årene, begynte flere og flere studier for å fremstå som beskriver påvirkning av mekaniske miljø på bein healing ved hjelp av brudd, osteotomi og store segmental bendefekten in vivo-modeller. Derfor er pålitelige fiksering nødvendig for å få reproduserbare og pålitelige utfall av studiene.
Den mekaniske miljøet rundt healing brudd er svært viktig fordi det avgjør hvordan bruddet vil gro. Således er valget av festeanordningen meget viktig og bør velges med omhu, avhengig av studiedesign, og andre faktorer som for eksempel gap størrelse og type brudd. Fiksering enhetens mekaniske egenskaper enre enda viktigere når man studerer bony helbredelse av store bendefekter å etablere en fiksering som ikke bare gir et konstant gap størrelse gjennom hele forsøket periode på totalvekt bærende, men også et ideelt miljø for mekanisk helbredelses benet. Eksterne fixators blir ofte brukt i brudd og store bein defekt eksperimentelle helbredende modeller fordi de har en fordel fremfor andre fikseringsanordninger. Den største fordelen med utvendige feste-midler er at de gir mulighet for endring av den mekaniske miljøet på det defekte område in vivo uten en sekundær inngrep, noe som kan oppnås ved å endre eller justere stabiliteten linjen av innretningen i løpet av forsøket som bein healing utvikler seg. Videre tillater den anvendelsen av spesifikk lokal mekanisk stimulering for å forbedre reparasjon av ben, og gir også mulighet for å måle stivheten av callus vev in vivo. Likevel enhetene har også noen ulempersom inkluderer: irritasjon av bløtvev, infeksjoner og pin brekkasje.
Dessverre var slike implantater ikke tilgjengelig "hyllevare" på den tiden av implantatet utvikling, og etterforskere ble tvunget til å spesialtilpasse sine egne fixators er til sitt formål. Derfor er en begrensning av forskningen på dette området var mangel på eksperimentell kontroll over lokal mekanisk miljø innenfor et stort segmental defekt samt osteotomier som det gror. De mekaniske egenskapene til et eksternt feste-midler er definert av, og kan bli modulert av et stort antall variable som inkluderer: avstanden mellom pinnene, pin diameter, fint materiale, antall pinner, fixator bar lengde, fixator bar nummer, fixator bar materiale, fixator bar tykkelse og avstanden fra benet overflate til fixator bar (offset). Overraskende, kunne bare en mangelen av studier bli funnet som har undersøkt de mekaniske bidragene fra de enkelte komponenteneav feste-midler eller hele ramme konfigurasjoner som brukes i gnagere 16,18,28. For eksempel, en undersøkelsens resultater viste at en av de viktigste faktorene for å bestemme den totale stivheten til fiksering-konstruksjonen ble dominert av fleksibiliteten av pinnene i forhold til deres forskyvnings, diameter og materialegenskaper 28. Resultatene fra de ovenfor nevnte studier antyder klart at det å vite den mekaniske miljø tilbys av festeanordningen er svært viktig, og likevel i mange tilfeller ikke er undersøkt i detalj. Denne artikkelen rapporterer design, spesifikasjoner, og in vivo implantasjon av en ekstern fixator som løser dette problemet. Denne feste-midler tillater også for modulering av den mekaniske miljø som helbredende skrider frem, en egenskap som gjør det mulig å studere den mekano-følsomheten av forskjellige stadier av helbredelsesprosessen in vivo. Dessuten, i tillegg til å pålegge en kontrollert og reproduserbar lokale mekanikeral miljø, gjør dens tilgjengelighet også for modulering av dette miljøet på ulike stadier av bentilheling.
Fixator vi utviklet var basert på ekstern fiksering, som er mye brukt for frakturfesteimplantat 16-21 og store defekt modeller i forsøksdyr 22-27. Forskjellen mellom vårt ytre fixator og de andre eksisterende design rapportert i litteraturen er at deres stabilitet bar er sikret med skruer for å ha et fast grep med Kirschner ledninger (K-ledninger). Denne type design krever skruer som skal etterstrammes annenhver uke (noen ganger også ukentlig) for å sørge for at avstanden til offset er opprettholdt som lasting påføres gjennom vektbærende å hindre løsning av stabilitet bar. Dersom en slik løsning oppstår, gjør det for uønskede ekstra belastningsforhold som kantete, tverrgående og vridningsskjærbevegelser til healing bein (basert på personlig erfaring, kommunikasjon med researchers). vite dette, ble en ekstern fixator utformet slik at når stivheten på fixator må endres, vil det oppnås ved å fjerne tilkoblingselementer knyttet til hovedmodulen der festepinnene er integrert. In vivo pilotforsøk ble utført med den nye eksterne fixator prototype å sørge for at den oppfyller alle foreslåtte krav før den er produsert i større mengder.
Hovedformålet for dette papir er å legge fram en ny kirurgisk metode for et eksternt feste-midler som brukes for store bendefekter og osteotomier hos rotte med muligheten for å endre stivhet in vivo under helingspro-sessen. Denne fikseringsmetode anvendes in vivo på lårben fra rotter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dyr omsorg og eksperimentelle protokollene ble fulgt i henhold til NIH retningslinjer og godkjent av Beth Israel Deaconess Medical Center Institutional Animal Care og bruk komité, Boston, MA. (Protokoll Antall: 098-2009)
1. Utarbeidelse av kirurgiske materialer og instrumenter
- Steriliser alle kirurgiske materialer og instrumenter som brukes til å utføre kirurgi før bruk. Pakk nødvendige materialer, med eller uten et instrument brett, inni et brettet klut eller innpakket i papir og forsegle med autoklav tape for dampsterilisering. Temperaturen i autoklaven bør være på 125-135 ° C i 20-25 minutter for sterilisering tid, og deretter 10-15 min av tørketiden.
- Kontroller at ved tidspunktet for kirurgi ble rottene er 200-250 g. Dette er meget viktig fordi hvis rottene er tyngre i størrelse, og deretter en annen størrelse feste-midler skal brukes. For rotter er tyngre enn 250 ga større versjon av det ytre feste-midler som bør brukes. </ Ol>
- Kjøpe Sprague-Dawley (eller enhver annen stamme) rotter (mann eller kvinne, 200-250 g) fra et sertifisert dyr leverandør. Følg den aktuelle dyr omsorg og eksperimentelle protokoller i samsvar med nasjonale retningslinjer som er godkjent av etterforsker Institutional Animal Care og bruk komité. Tillat et minimum av 48 timer akklimatiseringsperiode før prosedyren.
- For kirurgi, transportere rotte til en dedikert kirurgisk prosedyre rom.
- Anesthetize rotte med isofluran først via induksjon kammer, og deretter fortsette med ansiktsmaske koblet til en anestesi maskin med en hastighet på 1,5-2% i 1-1,5 L av O 2 / min. Ved starten av operasjonen sørge for at dyret er under dyp narkose. For å gjøre dette, bruker pedal refleks teknikk forlenge lem og knipe på nettet mellom tærne med fingrene (ikke tå seg selv!). Dyret er ikke sufficiently bedøvet dersom lem er trukket tilbake, oppstår muskel rykk eller hvis dyret lager støy.
- Etter at rotten er under dyp narkose for kirurgi, injisere den antibiotika (cefazolin, 20 mg / kg), og den analgetiske buprenorfin (dose 0,08 mg / kg) intramuskulært i høyre ben. For å unngå store mengden av fluidtap under operasjonen administrere varmt sterilt saltvann subkutant i 3-5% av kroppsvekten før operasjonen, og hvis det er nødvendig ved slutten. Påfør sterile øye salve til øynene for å holde dem hydrert for å hindre skade på hornhinnen.
- Etter narkotika injeksjoner, barbere og rense hele høyre bakben av rotte med chlorohezadine eller annen desinfiserende løsning og overføre dyret til det kirurgiske tabellen. (Benet operert må være den samme som den som ble injisert.)
- Plasser dyret på et oppvarmet underlag i liggende stilling (figur 1A). Pass på at ansiktsmasken forblir på nese og munn akteruteh overføringen til operasjonsbordet, og opprettholde anestesi regime nevnt i 2.3). Drapere arealet av den kirurgiske prosedyren med en steril fenestrert drapering slik at bare den leg beregnet for operasjon er eksponert.
- Gjør en omtrentlig snitt på 3-4 cm (figur 1B) gjennom huden kjører craniolateral på overflaten av den høyre femur fra trochanter major til supracondylar region av kneet ved hjelp av en skalpell (figur 1C). Expose skaftet av femur ved forsiktig disseksjon skille fascia lata, og sørge for at muskelvevet ikke er kuttet. Etter det, skille fra hverandre de M. vastus lateralis og M. biceps femoris og løft M. tensor fasciae latae å avsløre den fulle lengden av femur (pass på at hoftenervene er bevart; figur 1D).
- I den planlagte område av osteotomi, forberede femur midtveis langs området av diaphysis ved å slippe omgivende muskelvev fra femur. Først, start ved å sette Henahan heis vinkelrett på den eksponerte overflaten av femur, og deretter bruke en skalpell, slipper du muskelen i tilstøtende område.
- Videre ved å fremme frem og gå rundt i femur, holde seg nær til benoverflaten, inntil alt av den omgivende muskelvev frigjøres fra hele midtpartiet av benet (hvor defekten blir laget) og muskelvevet er helt renset fra benet. Mens du gjør dette, er det svært viktig å bo nær beinet overflaten for å unngå å kutte noen store fartøy.
- For en 5 mm stor bendefekten, løkke to stykker av Gigli ledning sag (0,22 mm) rundt beinet i medio-lateral orientering (figur 1E, F). Etter looping trådsagen, posisjon ett stykke på den distale side av femur, i nærheten av kneleddet, og et andre stykke på den proksimale siden nær hofteleddet. Klem Gigli ledningen så stykker på hver side ved hjelp av S-form buet dissekere og Ligature tang, slik at den holder seg på den tiltenkte plass. Hvis en enkelt kutt osteotomi er planlagt, da bare bruke ett stykke wire sag.
- Bruk det ytre feste-midler platen som en mal for å bestemme den nøyaktige posisjonen til implantatet. Posisjonen til den ytre feste-midler må være så nær som mulig til midten av femur.
- Plasser det ytre feste-midler platen på anterolateral overflaten av benet. Dette oppnås ved å dreie utad femur. I den posisjonen det myke vevet sjikt er på sitt tynneste, som hindrer overdreven bløtvev spenning under fixator platen etter at såret er lukket.
- Så litt løfte den eksterne fixator plate av bein overflaten for å forsikre deg om at hullene på plate er sentrert til beinet overflaten. Hold det ytre feste-midler med en liten klemme for den til å bli parallell med den langsgående aksen til benet, og deretter bruke et elektroverktøy eller et håndbor å forbore det første hullet på den proksimale siden av femur med 0.79mm bor. Før rykkende fremover, sørge for at spissen av borkronen fremdeles er sentrert på benoverflaten.
- Hvis spissen av boret fortsetter å gli, bruke 1,00 mm telleren søkke (figur 8F) for å sentrere posisjonen til det første hullet. Telleren søkke bør brukes til å plassere alle gjenværende festepinnene. Dette vil sikre en perfekt innretting av de borehullene, og feste-midler platen i forhold til benoverflaten.
- Kontroller at plate av den eksterne fixator ikke er montert opp-ned før klipping den på sagen guide. Bestem dette ved å sammenligne størrelsen av hullene i platen. Riktig side er med det større hullet diameter vendt opp. Hvis differansen mellom størrelsen av hullene innenfor feste-midler er ikke åpenbar, bruker telleren søkke.
- Sett tuppen av disken søkke inn i ett av hullene påfixator plate, hvis telleren søkke passer lett inn i hullet så er dette oppsiden av fixator, men hvis tuppen av disken søkke ikke passer så dette er et undersiden av fixator, og må venda for implantering tilsvarende.
(. Viktig:. Sørg for å bore vinkelrett på lengdeaksen av benet da dette vil sikre en perfekt orientering av feste-midler til benoverflaten Retningen av det første borehullet bestemmer den endelige orientering av feste-midler på bein Husk festepinnene har samme lengde, og hvis feste-midler ikke er parallell med den langsgående akse av benet avstanden mellom feste-midler, og benet vil variere for mye, og kan hindre muligheten av alle fire festepinnene til å trenge gjennom begge kortekser.) - Etter orientering blir bekreftet, klippet platen på sagen anvisning (figur 2A, B) og deretter feste enheten på benet, slik at den første på forhånd boret huller på linje med det første hull på plate (figur 2C). Bruk 0,70 mm kvadratisk pipenøkkelen settes inn i hånd boret for å drive den første monteringspinnen inn i hullet. Å gjøre dette vil tillate reproduserbar posisjonering for de gjenværende festepinnene.
- Etter den første monteringspinnen er på plass, og deretter bore den mest fjerntliggende hull fra den første monteringspinnen på den distale side, og drive den andre monteringspinnen inn i hullet. Den implantering rekkefølgen av de to midterste festepinnene er ikke viktig.
- Sett tuppen av disken søkke inn i ett av hullene påfixator plate, hvis telleren søkke passer lett inn i hullet så er dette oppsiden av fixator, men hvis tuppen av disken søkke ikke passer så dette er et undersiden av fixator, og må venda for implantering tilsvarende.
- Hold det ytre feste-midler plate med en liten klemme eller S-form krummet dissekere og ligatur tang, slik at den er parallell med lengdeaksen av benet (figur 3A). Anvendelsen av den første monteringspinnen vil bestemme justeringen av feste-midler, har derfor rotasjon av benet skal beholdes inntil den første tappen er satt inn (figur 3B). Etter den første pinnen er på plass, bruker nøye pinsett til å holde fixator plate som fungerer som en drill guide.
- Sett boret inn i det andre hullet - dette er den mest distale hullet til planlagt osteotomi gapet (figur 3C). Før boring, sjekk for å være sikker på at det andre hullet har samme retning som det første hullet; også sørge for at etter at boringen er ferdig, er begge cortices penetrert.
- Sett inn 0,70 mm rektangulx nøkkel til hånden drill og sett monteringspinnen inn i tuppen. Sett forsiktig inn i plate av den eksterne fixator uten å miste justering av første forboret hull.
- Så snart spissen er i kontakt med benet, begynner å dreie skrunøkkel under kontinuerlig aksiell belastning påført den proksimale enden av håndbormaskin. Etter ca 5 omdreininger, sørg for at tråden på den proksimale enden av monterings pin fanger den eksterne fixator plate kropp. Denne tråden låses systemet. Slutt å dreie når enden av benet tråden ligger i nærheten av den øvre overflate av benet (figur 3D).
- Etter pinnene på den mest distale og proksimale side er på plass, forbore de resterende to midterste hull. Den implantering rekkefølgen av de to midterste pinner er ikke viktig (fig 3C).
- Etter at den eksterne fixator er på plass, bruker 0,22 mm Gigli ledning sagen regissert av sagen guide for å gjøre det segmental defekt (Figure 4A). Hvis den sistnevnte metode velges, blir sagen anvisning den festes før en defekt.
- For dette, passerer en 0,22 mm Gigli ledning så gjennom de to sporene på undersiden av femur (figur 5A) for å skape en 5 mm segmental defekt ved resiprok bevegelse frem og tilbake (figur 5B) med tilstrekkelig vanning (bruk 5 ml sprøyte for å dispensere saltvann på tidspunktet for feilen etableringen). For å unngå skade på bløtvev, kutt sagtråden tett til beinet på den ene siden etter fullført osteotomi. Fjern sagen guide (Figur 4B).
- Når defekten eller osteotomi er opprettet, fjerner sagen guide og lukke såret i lag, muskel først (figur 4C), og deretter i huden (figur 4D). Før såret er lukket, unn defekten som planlagt i studieprotokollen. Lukk muskulære laget og fascia lata som bruker Ethibond Vicryl sutur 4-0, og huden ved hjelp av Ethicon Monocryl 3-0 suture. Unngå å dra sutur materiale over ikke-sterile overflater mens sy sår. Merk: For å unngå sår biting, må sutur ikke ende distalt for lavere implantatet. Likeledes, kan huden lim brukes i stedet for en sutur.
- På de tre første postoperative dag, gi rotten analgetiske hver 12. time og Antibiotikum hver 24 timer. Selvfølgelig vil den postoperative regime av narkotika varierer avhengig av merke og merke av de legemidler som brukes av hver etterforsker (se narkotika spesifikasjons instruksjoner).
- Overvåk dyrene ofte etter inngrepet for å sørge for at de gjenopprette fra anestesi og bare deretter returnere dem til boliger anlegget. Gi ensomme boliger for de første dagene etter operasjonen for å sørge for at det ikke er noen komplikasjoner.
- Monitor vann, matinntak og kroppsvekt etter operasjonen for å sørge for at dyret ikke er i smerte og nød. Hvis dyret viser en redusert aktivitetsnivå, problemer med å flytte rundt (mulig implantat svikt), ataxien, uflidd fet pels, porfyrin flekker rundt øyne og nesebor, krum holdning, pustevansker, redusert inntak av mat og vann, etc. oppsøke veterinær.
- Dersom undersøkelsen protokollen krever endring av fixator stivhet under helbredelsesprosessen in vivo oppnås dette ved å endre forbindelseselementer festet til de spesielle sammenlåsende skruene ved hjelp av 0,5 mm kvadratisk skiftenøkkel boks festet til håndbormaskin. For denne fremgangsmåten, bedøve rotte (se 2.3 i protokollen) og gi analgesi (det vises til 2.4 i protokollen) bare en gang ved tidspunktet for fremgangsmåten (figur 6A).
- Sedate rotte, og deretter sette spissen på 0,50 mm firkantede boksen nøkkelen inn i den sikringsanlegg skruen festet til siden av den sammensatte fixator, og begynner forsiktig å vri den mot urviseren til pinnen er halvveis ut (Figur 6B (figur 6C).
- Når begge splintene på samme side er halvveis ut, bruker tang eller en klemme for å fjerne tilkoblingselementet på den motsatte side med en svak bevegelse (figur 6D). Tilkoblingselementet skal komme ut lett, hvis det ikke gjør det, så gjør en ekstra par omdreininger på begge interlocking skruer for å være sikker på at spissen av sikringsanlegg skruen ikke er integrert i tilkoblingselementet.
- Når tilkoblingselementet er fjernet, skyver den ønskede stivhet tilkoblingselementet i stedet for den fjernede en (figur 6E), og fra den motsatte side ved hjelp av den firkantede pipenøkkelen begynne å dreie inntil låseskruen er halvveis ut på den motsatte side (figur 6F). Gjenta fremgangsmåten for den andre låseskrue (figur 6G). Viktig: ther vil kreve å skifte til motsatt side av platen for å sikre at begge sammenlåsende skruer er halvveis ut på den siden hvor tilkoblingselementet ble erstattet (figur 6 H, I).
- Etter denne delen er fullført, fjerner den andre tilkoblingselement (Figur 6J) og erstatte den med samme stivhet forbindelse element som den erstattet på motsatt side (Figur 6K). Etter at det andre forbindelseselementet er på plass, begynner å kjøre den sammenlåsende skruen til låseskruen ende kommer ut på motsatt side av platen, og det sammenlåsende skruespissen har gått ut av den samme mengde på hver side (figur 6L). Gjenta fremgangsmåten for den andre låseskrue (figur 6 M, N). Denne prosedyren tar ca 15 min å fullføre.
2. Kirurgisk prosedyre og anvendelse av ekstern Fixator
3. Ekstern Fixator Implantasjon Metode Bruke Saw guide
4. Ytre Fixator Implantasjon metoden uten at Saw Guide:
Anvendelsen av det ytre feste-midler kan også utføres uten å bruke sagen skinnen. De begynner trinn av den eksterne fixator implantasjon er de samme opp til enheten med sagen guiden er klippet på bein (trinn 3.1). Hvis sagen guiden ikke er brukt, er det svært viktig å holde fixator plate i riktig retning underhele søknadsprosedyre. Det femur må eksternt dreies i anterolateral retning.
5. Endring av Ekstern Fixator Stivhet In vivo
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Designmessige spesifikasjoner
Stabilisering av rotte femur med den eksterne fikseringssystem som muliggjør etablering av osteotomier 0,5 til 5 mm. Den eksterne fixator system er en låst ekstern fixator laget av polyeter eter keton (PEEK - [hoveddelen]) og titan-aluminium-niob legering (TAN - [festepinnene]), som tilbyr en enkel, reproduserbar og justerbar design, og er tilgjengelig i fire forskjellige stiffnesses: 10, 40, 70 og 100% (100% som standard, mest ubøyelige fixator (figur 7) Avhengig hver etterforsker studiekrav, enten de blir nødt til å gjøre implantat stivhet justering in vivo as. den bentilheling skrider frem, det ytre feste-midler platen kommer enten som en solid stykke (figur 8) eller med to forbindelseselementer (figur 9A) og to hovedmoduler (figur 9B) som er festet med to skruer sammenlåsende (Fifigur 9C) som må settes sammen før operasjonen (figur 10A-F). Koplingselementene er av forskjellig tykkelse, og dermed stivhet, og ble utviklet for å oppnå fiksering stivhet tilsvarende 10% (0,75 mm tykk), 40% (1,70 mm tykk), 70% (2,10 mm tykk) og 100% (2,50 mm tykk, figur 7). Den eksterne fixator stivhet på 100% ble beregnet basert på den omtrentlige 200 g kroppsvekt av en moden rotte, og deretter multiplisert med en faktor på 4, til en masse lik 800 g. Dette ble gjort for å være sikker på at etter å lage en 5 mm feil, er fixator stand til å motstå vektbelastning av dyret, og dermed opprettholde innretting og hindre forskyvning av defekte fragmenter. De gjenværende tre fixator stiffnesses ble redusert med 30% på henholdsvis fra det høyeste (100%) for å ha en rekke studier med stivheter for ulike formål.
Hver hovedmodul har to hull der festepinnene er inserted. Fixator stivhet kan endres mens det fortsatt er festet til levende dyr ved å endre tilkoblingselementer sikret med spesielle sikringsanlegg skruer (figur 9C) ved hjelp av 0,5 mm kvadrat nøkkel (Figur 9H) festet til hånden drill (figur 9K). TAN (titan-legering) ble brukt til å lage for montering av pinnene (figur 9D) for å sikre stabiliteten bar til femur (figur 7). Det feste-midler kommer i fire stykker, og må settes sammen før bruk hvis en stivhetsendring er beregnet for undersøkelsen (figur 10A-F), hvis ikke, bør en enkelt faststoff sydde feste-midler benyttes. Avstanden mellom de ytre skruer er 16 mm og avstanden mellom de midtre skruene er 11 mm. Alle hullene er forboret ved hjelp av en 0,79 mm bor (figur 9E). Skruene er låst i tilsvarende hull i hoved fixator rammen, som er parallell til benoverflaten og satt i en avstand på 6 mm from bein (figur 7).
En sag guide ble utviklet for å muliggjøre etableringen av en nøyaktig, reproduserbar, 5 mm segmental defekt i femur (figur 9I); den også fungerer som en posisjonering guide for installasjon av det eksterne fixator. Den hovedramme av det ytre feste-midler er klipset til sagen styreren, og hele systemet er klipset inn på benet, som vist i figur 2B, C. Den 5 mm gap genereres med en 0,22 mm Gigli ledning sag (figur 9J). Kan autoklaveres både sagen guiden og Gigli ledning sag ved 134 ° C. Hvis en annen størrelse osteotomi er beregnet for studien, en spesialdesignet så håndboken er tilgjengelig. På grunn av miniatyrstørrelse av det ytre feste-midler, er et spesielt sett av implantasjonssteder instrumenter konstruert og ervervet; en tilpasset 0,79 mm bor (figur 9E), 1,00 mm teller søkke for forboring av hullene (Figur 9f), 0,7 mm firre skiftenøkkel boks for anvendelse av festepinnene festet til håndbor (figur 9G), 0,5 mm kvadratisk skiftenøkkel boks for anvendelse av sammenlåsende skruer (fig 9H), håndbor (figur 9D). En Accu Pen drill (figur 9 L) ble også utviklet. Den kjernediameter på hver monteringspinnen er 0,02 mm større enn borkronen for å sikre riktig montering av festepinnene inn i benet. Når den brukes sammen med en selvskjærende skrue spissen, dette har vist seg å forhindre løsne på grunn av beinoverflaten resorpsjon ved ben-skrue-grensesnitt 29.. Borekronen (figur 9E) drives av en miniatyr elektriske Accu Pen drill som produserer 2500 rpm med en effekt på 500 mW (figur 9 L).
In vivo forsøk
Røntgenundersøkelse bekreftet at feste-midler i alle stiffnesses opprettholdt en 1 mm (ikke vist) eller en 5 mm femoralsk defekt i løpet av hele 8 uker av forsøket (figur 11). Dette var spesielt viktig for de 5mm kritisk størrelse defekter, der spontan healing ikke forekomme. Ingen forvrengning eller infeksjoner, inkludert pin infeksjoner ble observert og stiftløsning var fraværende hvis instruksjonene i programmet ble fulgt 30. En vanskelighet ved hjelp av det ytre feste-midler ble observert hvis vekten av rotte ved tidspunktet for kirurgi har overskredet 250 g, og en mindre størrelse plate ble anvendt. I noen av disse tilfeller, belastningen på festepinnene økt til et kritisk nivå, slik at tappen utvalgsmenyen ble forekommende på den distale side av femur alt fra en uke til to uker etter operasjonen (figur 12). I tillegg til dette, dersom en større størrelse dyr blir brukt, er den omgivende muskelvev femur relativt tykk, noe som skaper stramming av huden i nærheten av implantatet etter at huden blir lukket. På grunn av svelling spenning, når huden sterter å helbrede det skaper en kløe til dyret å gjøre noen av rottene bite fixator. Siden fixator er opprettet fra PEEK materiale, som er utgangspunktet høy tetthet plast, i sjeldne tilfeller, ble noen rotter kjent for å tygge gjennom det. Igjen, for å unngå dette, er det svært viktig å velge den anbefalte kroppsvekt for dyrestudier eller bytte til større versjon av ekstern fixator.
Figur 1. Kirurgisk forberedelse av rotte femur. (A) Rotte plassert i liggende stilling. (B) viser retningen av snittet på lårbenet. (C) Viser snitt i huden for å eksponere muskel. (D) Viser snitt gjort gjennom muskelen for å eksponere femur. ( E) Viser en liten klemme plassert under bein til å passere Gigli wire. (F) Viser Gigli ledning gått under av bein.
Figur 2. (A) Saw guide. (B) Ekstern fixator klippet på Saw guide. (C) Saw guide med den eksterne fixator klipses fast femur.
Figur 3. Bruk av ekstern fixator. (A) viser riktig anvendelse av den første monteringspinnen med platen liggende antero-sideveis og parallelt med benet - grønn hånd, og feil anvendelse -. Røde hånden (B) viser innsettingen av den første monterings Pin i den ytre distal stilling . (C) Viser innsetting av . resterMonterings Pins starter med det mest proksimale posisjon, etterfulgt av de to midterste festepinnene (D) Viser innsetting av Montering Pin - mer detaljert beskrivelse i protokollen pkt 4.4.
Figur 4. Kirurgisk implantasjon av det ytre feste-midler på rotte femur. (A) Demonstrerer ferdigstillelse av den kirurgiske prosedyren med ekstern fixator på plass med Gigli wire. (B) Demonstrerer opprettet 5 mm segmental defekt. (C) Demonstrerer sutureres muskel lag med eksponert ekstern fixator stabilitet bar. (D) Demonstrerer sutureres hud med eksponert ekstern fixator stabilitet bar.
558fig5highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 5. (A) Utgangsstilling av Gigli wire for defekt skaperverket. (B) Et bilde som viser gjensidig bevegelse av Gigli wire.
Figur 6. Endring av Ekstern Fixator stivhet in vivo. (A) Ekstern fixator implantert på femur. (B) Viser fjerning av den første sikringsanlegg skruen ved forsiktig å vri den mot urviseren til pinnen er halvveis ut. (C) Viser fjerning av den andre låseskruen ved forsiktig å dreie den mot urviseren inntil tappen er halvveis ut. (D) demonstrerer fjerning av tilkoblingselementet på den motsatte side. (E) demonstrerer utskifting av ønsket stivhet tilkoblingselementet i stedet for den fjernede en. (F) viser hvordan å sikre den første erstattet tilkoblingselementet fra motsatt side ved å dreie den firkantede pipenøkkelen inntil låseskruen er halvveis ut av den motsatte side. (G) viser hvordan å feste den andre erstattes tilkoblingselementet fra motsatt side ved å skru den firkantede pipenøkkelen til sammenlåsende skruen er halvveis ut av den motsatte side. (H, I) påviser veksling til den motsatte side av platen for å sikre at begge sammenlåsende skruer er halvveis ut på den siden hvor forbindelsen element ble erstattet. (J) demonstrerer fjerning av det andre tilkoblingselementet. (K) demonstrerer utskifting av den andre stivhet tilkoblingselementet i stedet for den fjernede en. (L, M) demonstrerer driving av begge sammenlåsende skruer til sammenlåsende skrue end utgangene den motsatte side av platen. (N) påviser gjennomført fremgangsmåte. 
Figur 7. Komponenter av de ytre feste-midler Venstre:. Stivhet bestemmes av forbindelseselementer med forskjellig tykkelse. Den fixator er festet til benet med titanlegering festepinnene. Høyre: Montert fixator på plass på rotte femur med 5 mm segmental defekt.
Figur 8. Utvendig feste-midler som en enhet.
Figur 9. Deler og instrumenter designet for bruk med ekstern fixator. (B) To forbindelseselementer.(B) To hovedmodulene. (C) To sammenlåsende skruer. (D) Fire festepinnene. (E) En 0,79 mm bor. (F) En 1,00 mm telleren søkke for forboring av hullene. (G) T 0,7 mm firkantede boksen fastnøkkel for bruk av festepinnene. (H) En 0,5 mm firkantede boksen fastnøkkel for bruk av sikringsanlegg skruer. (I) En 5 mm så guide. (J) En 0,22 mm Gigli ledning så for oppretting av feil. (K) Hånd drill for å feste borekroner, 0,70 og 0,50 mm firkantet boks nøkkel. (L) AccuPen 6V + (Miniature elektrisk penn drill) som brukes til å drive borekroner.
Figur 10. Montering av ekstern fixator. (A) 70% miffness tilkoblingselementet (B). tilkoblingselementet, og en av hovedmodulene. (C) viser hvordan en av de viktigste moduler glir på innsiden av koblingselementet. (D) viser hvordan begge av hovedmodulene gli på innsiden av koblingselementet . (E) Demonstrerer både av de viktigste modulene og begge tilkoblings elementene på plass (F) demonstrerer ferdig montert stabilitet bar -. hovedmoduler og forbindelseselementer sikret med sikringsanlegg skruer.
Figur 11. In vivo røntgenbilder av feil i rotter umiddelbart etter operasjonen og 8 uker senere. Eksterne fixators av alle 3 stiffnesses ble implantert på rotte lårben og 5 mm segmentdefekter opprettet. Defektene ble umiddelbart røntgenfotografert etter kirurgi (t = 0) og ved weekly intervaller til 8 uker (t = 8 uker) når forsøket ble avsluttet. Gjengitt med tillatelse fra ECM journal ( http://www.ecmjournal.org ). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 12. In vivo røntgenbilde av defekten i rotte 9 dager etter operasjonen med den distale pinnene trukket ut (ved tidspunktet for kirurgi kroppsvekt til rotten var 340 g). Trykk her for å vise en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De mest kritiske trinn i en kirurgisk prosedyre for å skape en stor bendefekt er: 1) å velge den riktige kroppsvekt til rotten til å samsvare med størrelsen av det ytre feste-midler; 2) å opprettholde et sterilt miljø i løpet av fremgangsmåten; og 3) etter den kirurgiske prosedyren protokollen.
De viktigste målene for denne studien var å designe, produsere og karakterisere en ny, variabel stivhet ekstern fixator for rotte femoral store feil modell, og å bruke denne fixator bestemme samspillet mellom biologiske og mekaniske faktorer under healing prosessen. De mekaniske egenskapene til de nye fixators ble undersøkt på tre nivåer og karakterisering av fixators er publisert i et annet manuskript 30. De feste-midler ble også anvendt til rotte lårben, og deres in vivo-ytelse overvåkes radiografisk i 8 uker med og uten behandling 30,31.
Det primære innovation av dette fixator er dens evne til å utveksle stabilitets bar forbindelseselementer å velge ulike, standardiserte stiffnesses. Ettersom stabiliteten pens tilkoblingselementene kan byttes ut, mens anordningen er festet til dyret, kan stivheten justeres på forskjellige stadier i løpet av helbredelsesprosessen. Koplingselementene er utvekslet en om gangen for å forhindre forskyvning av defekte kanter og ødeleggelse av nydannet vev som beskrevet i protokollen. For tiden er fire forskjellige stivheter som er tilgjengelige, men ytterligere stivheter kan oppnås ganske enkelt ved å bestille forskjellige forbindelseselementer med forskjellig tykkelse gjennom produsent av implantatsystem.
De festepinnene og hovedrammen ble laget av TAN og PEEK, henholdsvis, fordi disse materialer er allerede benyttet for ortopedisk implantat i mennesker og deres biokompatibilitet er godt etablert. Disse materialer tillater også in vivo avbildning itidlige stadier av brudd reparasjon med minimal forvrengning, og en redusert forekomst av infeksjoner. In vivo eksperimenter bekreftet at de fixators tillatt klar bildebehandling og opprettholdt en 5 mm segmental gap i minst 8 uker uten infeksjon eller pin løsner.
Som en ytterligere utforming funksjon, har feste-midler en forhånds-innstilte forskyvning på 6 mm fra beinoverflaten til stabiliteten bar uansett hvilken stivhet forbindelseselementer benyttes. Denne funksjonen gjør implantering av fixator svært reproduserbar. En annen stor fordel i forhold til alternative utforminger som er beskrevet i litteraturen 1,18,26,27, er at den nye ytre feste-midler er utformet for å ha en minimal masse (0,32 g) for å unngå ukontrollert lasting på grunn av treghet. Videre, etter implantering og suturering av huden, er klaringen mellom implantatet tverrstangen og huden kun omtrent 2 mm. En slik nærhet til hudoverflaten minimaliserer det øyeblikk kraft, som hindrer muligheten foren ekstra laste i den annen enn den som er beregnet fra det ytre feste-midler defekten. I tillegg, for å holde det kirurgiske traume lav, konvensjonell og roterende sager ble ikke ansett som verktøy for å skape større eller mindre osteotomier. Slike sager enten kuttet i nærliggende vev eller stripe periosteum når vev er trukket inn. I det siste har vi brukt en 4,5 mm tann burr så å lage 5 mm feil, og fant at det var umulig å lage nøyaktige og reproduserbart store defekter med parallelle ender 22,26,27. For å unngå alle disse problemene tok vi en fordel ved Gigli trådsagen på 0,22 mm. Sagen guiden ble utviklet for reproduserbart lage presise defekter med parallelle ender.
Det er noen begrensninger ved bruk av denne teknikken. En av de viktigste problemer ved bruk av denne ytre feste-midler er muligheten nevnt i resultatene delen, at rottene kan tygge gjennom det ytre feste-midler plate, som er fremstilt av PEEK. Men en spesial metalldekselet har nylig blitt utviklet av produsenten av fixator å hindre at dette skjer. På samme måte kan en elisabethansk krage brukes for de første par ukene etter operasjonen for å hindre dyret fra å tygge. En ytterligere bekymring er at hvis en tom bendefekt brukes for undersøkelsen, er det en sjanse for at festepinnene kan trekke ut fra benet flere uker etter operasjonen. Videre er det avgjørende at feste-midler er implantert i nøyaktig orientering som er skissert i protokollen. Dersom påleggene ikke blir fulgt nøye, er det stor risiko for at den mekaniske miljøet levert av spesifikk stivhet fixator ikke vil være som var ment, og vil introdusere en feil, noe som gir falske resultater.
De fixators beskrevet i denne artikkelen aktivere etterforskere til å gjennomføre eksperimentene som er nødvendige for å fastslå empirisk effekten av ulike mekaniske miljøer og / eller mekanisk (stivhet) modulasjon på ben helbredelse i store defekter eller osteotomier 30,31. Videre kan det ytre feste-midler teknologien benyttes i forskjellige studier hvor forskjellige legemidler og biomaterialer blir testet for å oppdage nye behandlinger ikke bare for kompliserte brudd, men også for behandling av standard frakturer for å akselerere helingsprosessen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatteren Romano Matthys er ansatt i RISystem AG Davos, Sveits som produserer de implantater, implantat spesifikke instrumenter og forbruksvarer som brukes i denne artikkelen. Forfatteren Vaida Glatt har ingen konkurrerende økonomiske interesser.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av AO Foundation (S-08-42G) og RISystem AG.
Vi ønsker å utvide en veldig stor "takk!" til Stephan Zeiter team på AO Research Institute Davos, Sveits for å være så imøtekommende i tillater oss å bruke sine eller anlegg for filmingen av denne kirurgiske prosedyren.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | |
| 1 cc 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).
