Yöntem makalesi

Yerinde Basınç Yükleme ve Kemik-periodontal ligament-diş Lifli Joint Korelatif noninvaziv Görüntüleme

DOI:

10.3791/51147

⸱

7 Mart 2014

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Division of Biomaterials and Bioengineering, Department of Preventive and Restorative Dental Sciences, University of California San Francisco, 2Department of Radiology and Biomedical Imaging, University of California San Francisco, 3Xradia Inc.

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışmada, lifli ortak biyomekanik için mikro-X-ışını bilgisayarlı tomografi ile birlikte yerinde yükleme cihazının bir kullanımının tartışılacaktır. Ortak biyomekanik bir genel değişim ile tanımlanabilir deneysel okumalar içerecektir: 1) gerici deplasman vs kuvvet, alveol soket içinde yani diş deplasman ve yükleme onun gerici tepki, 2) üç boyutlu (3D) mekansal yapılandırma ve morfometrik, yani geometrik nedeniyle yükleme ekseni örneğin, konsentrik ya da eksantrik yükler bir değişiklik için alveol yuva ile diş ve okumalar 1 ve 2 'de 3) değişikliklerin ilişkisi.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, yeni bir biyomekanik test protokol göstermektedir. Bu protokolün bir avantajı bu şekilde simüle fizyolojik yükler ve ıslak koşullarda, iç yapı elemanları görselleştirme sağlayan, yüksek çözünürlüklü bir X-ışını mikroskop kuple yerinde yükleme cihazı olarak bir kullanımını içerir. Deneysel örnekler bozulmamış kemik-periodontal ligament (PDL)-diş lifli eklemler içerecektir. 1) deplasman vs gerici güç: diş deplasman alveol soket içinde ve yükleme, 2) üç boyutlu (3D) mekansal konfigürasyonu kendi gerici tepki sonuçları, organ düzeyinde biyomekanik uygulanabilir gibi protokol üç önemli özellikleri gözler önüne serecektir ve morfometrik: geometrik alveolar soketi ile diş arasında ilişki nedeniyle, yani eksensel eş merkezli ikinci yükleme ekseninde bir değişiklik için okumalar 1 ve 2 'de 3) değişir. Önerilen protokolün etkinliği mekanik te birleştirilmesi tarafından değerlendirilecektir3D Morfometri ve eklem genel biyomekaniğine acı okumaları. Buna ek olarak, bu tekniği özellikle gerici yükler önce lifli eklem tomogram edinme, deneysel koşullar dengelenmeye ihtiyacı vurgulamak olacaktır. Bu önerilen protokol ex vivo koşullar altında numunelerin test sınırlıdır ve yumuşak doku mekanik yanıtını görselleştirmek için kontrast maddelerin kullanımının doku ve organ düzeyinde biyomekanik hakkında hatalı sonuçlara yol açabileceği unutulmamalıdır.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Çeşitli deneysel yöntemler diarthrodial ve fibröz eklemlerin biyomekanik araştırmak için kullanılmaya devam. Diş organı biyomekanik özgü yöntemler gerginlik ölçme 1-3, photoelasticity yöntemleri 4, 5, Harelenme interferometri 6, 7, elektronik benek desen interferometri 8, ve dijital görüntü korelasyon (DIC) 9-14 kullanımını içerir. Bu çalışmada, yenilikçi bir yaklaşım, bir elyaflı mafsalın iç yapıları ortaya çıkarmak için X-ışınları kullanılarak (yumuşak bölgeler aşağıdakilerden oluşan mineralize dokuları ve arayüzleri ve bu gibi bağ dokularının arayüz) in vivo koşullara denk yüklerde invazif olmayan görüntülemeyi içerir. Bir mikro-X-ray mikroskop bağlanmış bir in situ yükleme cihazı kullanılacaktır. Yük-zaman ve yük-deplasman eğrileri taze hasat sıçan hemi-mandibulanın içinde ilgi molar yüklü olarak tahsil edilecektir. M1) Hiçbir yük ve yüklenen ve zaman 2) eş ve eksantrik yüklü: Bu çalışmada sunulan yaklaşım ain hedefi en şartlarını karşılaştırarak diş kemiğin üç boyutlu morfoloji etkisini vurgulamaktır. Kesim örnekleri için ihtiyacı ortadan kaldırarak, ve ıslak koşullarda bütün dokunulmamış organlar üzerinde deney yapmak için 3D stres durumunda maksimum koruma sağlayacak. Bu çeşitli yükleme senaryolar altında karmaşık dinamik süreçleri anlamada soruşturma yeni bir alan açar.

Bu çalışmada, Sprague Dawley sıçan sağlam bir lifli eklem içinde test PDL biyomekanik için yöntem, bir optimum bioengineering bir model sistem olarak kabul ortak bir detaylı olarak açıklanacaktır. Deneyler organ düzeyinde biyomekanik ile ilgili olarak eklemin üç önemli özelliklerini vurgulamak amacıyla hidratlı koşullar altında çiğneme yüklerinin simülasyon içerecektir. Üç puan içerecektir: yerinden vs 1) gerici kuvvet:diş alveolar yuva içinde yer değiştirme ve yükleme gerici tepki, 2) üç boyutlu (3D) uzamsal konfigürasyon ve morfometrik: alveolar yuva ile dişin geometrik ilişki nedeniyle bir değişiklik için okumalar 1 ve 2 3) değişiklikleri konsantrik eksantrik yüklerin yani yükleme ekseni. Önerilen teknik, üç temel okumalar nedeniyle fonksiyonel taleplerindeki değişikliklere ve / veya hastalığa omurgalı ya da eklemlerin adaptif doğasını araştırmak için uygulanabilir. Anılan okumalar değişiklikler, farklı yükleme hızlarında özellikle deplasman gerici yükler arasındaki korelasyon ve gerici yük-zaman ve yük-deplasman eğrileri çıkan ortak biyomekanik genel değişiklikleri vurgulamak için uygulanabilir. Önerilen protokol etkinliği 3D Morfometri ve eklem genel biyomekanik mekanik test okumalarını birleştirilmesi tarafından değerlendirilecektir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hayvan gövdesi ve ötenazi: Bu tasvirde kullanılan bütün hayvanlar Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi (IACUC) ve Ulusal Sağlık Enstitüsü (NIH) kurallarına uygun olarak patojen içermeyen koşullar altında tutuldu.

Standart sabit-pelet sıçan yemi ve suyla birlikte hayvanları sağlayın. IACUC tarafından onaylanmış gibi ucsf standart protokolüne uygun karbon dioksit boğulma, bilateral torakotomi bir iki aşamalı yöntemi ile hayvanlar Euthanize. Dokusu bozulmasını önlemek için, hayvan kurban 24 saat içinde biyomekanik test gerçekleştir.

1.. Hazırlanması ve Rat Altçene'ye veya Maksillada diseksiyonu

  1. Koronoid ve kondiler süreci (Şekil 1) 15 de dahil olmak üzere tüm mandibula, koruyarak nazikçe membranöz doku ve kas dokusu ekleri koparılması ile sıçan altçeneleri çıkarın.
  2. Arabayla Ayrı hemimandiblesefully bir neşter ile mandibular symphysis'in fibröz doku kesme.
    Not: fiziksel 2. molar biyomekanik test engel ise koroner ve kondiler süreçler ve mandibulanın ramus (Şekil 1) çıkarılmalıdır.
  3. Molar yüklenmesini engellemeyecek şekilde hamuru oda maruz kalmadan kesicilerin kesti.

2. Yerinde Basınç Yükleniyor için Numune Hazırlama (Şekil 2)

  1. Önce in situ yükleme cihazı (Şekil 2A) bir in yüklemeden için deney numunesinin önemli ölçüde daha sert olan bir malzeme kullanılarak bir çelik parçası üzerinde numune hareketsiz.
    Not: polimetilmetakrilat (PMMA), eğer varsa, bir diş Explorer kullanılarak uzaklaştırılmıştır, bu çalışma ve fazla miktarda numune hareketsiz hale getirmek için kullanılmıştır.
  2. Hem de bir düz kenarı kullanarak AFM metal numune disk ile faiz paralel molar (ler) oklüzal yüzeyini hizalayınuçaklar (yani mesial-distal ve yanak-lingual).
  3. Azılarını çevreleyen bir cisimle bir çukur oluşturun.
    Not: Bu alan aşırı sıvı içeren ve yerinde yükleme sırasında doku hidrasyon korumak için bir "hendek" olarak hizmet etmelidir.
  4. Bir diş kompozit kullanılarak eş (Şekil 2B) ya da eksantrik (Şekil 2C) yükleme oluşturmak için diş yüzeyini hazırlayın. 15 saniye için oklüzal yüzeyi üzerinde% 35 fosforik asit jeli ile, ilgi konusu dişin yüzeyini aşındırma.
  5. Iyonu giderilmiş su ile iyice yıkayın ve pürüzlendirici bir hava / su şırınga ya da bir basınçlı hava spreyi kullanarak yüzeyi kurutun. Bir kaşif ile, ince bir tabaka halinde açık başlangıç ​​çizgileri içine bağlama maddesinin bir damla yayıldı. Dental bir ışık ile bileşik Cure.
    Not: Tüm adımlar içeren kompozit bir lamba doğrudan ışık olmadan gerçekleştirilmelidir. Bu koşullar, istenmeyen bir polimerizasyon sürecini hızlandırmak ve coul olurd kompozitin doğru yerleştirilmesini engeller. Oda aydınlatma kabul edilebilir.
  6. Ince bir neşter veya jilet ile komşu dişlerin aşırı bonding ajanı çıkarın.
  7. Yüzeyin hazırlanması sonra yüzeyi üzerinde akışkan dental bileşik yerleştirin ve bir diş explorer kullanarak, ilgi konusu molar (ler) olukları içine yayıldı.
  8. 30 saniye boyunca diş kür ışık kompozit Açığa.
  9. Ilgi molarlık (lar) ve 30 saniye boyunca ışık tedavi oklüzal düzleminden, bir dental reçine bileşik kullanılarak, yaklaşık 3-4 mm'lik bir oklüzal oluşumunu kalıp.
  10. Bir cetvel ve bir yüksek hızlı el parça kullanılarak tüm örneklerde tutarlı bir yükleme düzeni sağlamak için düz bir yüzeye paralel kompozit birikimini üst azaltın.
    Not: Biyomekanik Testler sırasında, diğer örnekleri 50 mg / ml penisilin tris-fosfat tamponlu çözelti (TBS) içerisinde saklanır ve streptomisin 15 olmalıdır.

3. Yükleme Cihazı Drift veSertlik, Material Property Farklılaşan Yetenek, Lifli Joint in situ Yükleniyor

  1. Şekil 2B'de gösterildiği gibi, tek tip yükleme için yükleme aşamasının örs üzerinde kompozit birikimi ile örnek ve bir test edin.
  2. Eş merkezli veya dış merkezli yükleme (Şekil 2B ve 2C) kontrol etmek için sınırlı bir yük için numune yükleme ardından kompozitin yüzeyi üzerinde bir eklem kağıt yerleştirin.
  3. Numune hidrasyon sağlamak için numune etrafında TBS-batırılmış Kimwipe yerleştirin. Numune etrafında bir oluk yapmak ve görüntüleme sırasında nemli organı tutmak için TBS ile doldurun.
  4. Hemimandibula hareketsizliği izleyen bir deplasman oranda istenen pik yük molar sıkıştırmak için Deben yazılımı içine girdi pik yük ve deplasman oranı.
    Not: Malzeme yükü dönüştürücü duyarlılık = 0.1 (zaman içinde sıkıştırılır gibi tipik okumalar gerici yükü içermelidirN). Yük zaman ve yer değiştirme-zaman, sıkıştırılmış malzeme için yük-deplasman eğrisi 16-18 alınmalıdır. Yükleme döngüsü toplanan verileri kullanarak, çeşitli ortak özellikleri de belirlenebilir. Eklemin sertliği doğrusal bölümü yer değiştirme eğrisinin 19 karşı yükün yükleme fazı (verinin yaklaşık olarak en son% 30) eğimini alınarak hesaplanır.

4. Fosfotungstik Asit (PTA) ile Yumuşak Doku, PDL boyanması,

Not: X-ışını zayıflama kontrastı arttırmak için, PDL% 5 PTA çözeltisi 20 ile boyanmış olmalıdır.

  1. Dolgu PTA boyama, temiz bir 1.8 ml'lik bir cam karpülün içine çözeltisi ve şırıngaya yüklendi karpül yerleştirin.
  2. Ilgi azıdişi çevreleyen periodontal dokular için yapısal hasarı önlemek için komşu dişlerin PDL-uzaya solüsyonu yavaş yavaş (5 dk / karpül) enjekte edilir.
    Not: Yukarıdaki adımlar b gerekirçözeltisi yaklaşık 5 tam carpules (9 mi) e kadar tekrar enjekte edilir ve çevredeki dokulara akmasına izin verilir. Prepped örnekleri de kalan PTA çözeltisi (8 saat) içinde gece boyunca ıslatılmış olabilir.

5. Önerilen μ-XCT Tarama Ayarları

Aşağıdaki tarama ayarları ile m-XCT gerçekleştirin:

Amaç Büyütme 4X, 10X
1.800 görüntüleri
X-ışını tüpü gerilim 75 kVp (PTA lekeli örnekler için 50 kVp)
8 W
Pozlama Saati ~ 8-25 sn *
~ 4 mikron (4X objektif), ~ 2 mikron (10X objektif) **

* Maruz kalma süresi, geometri ve numune ve X-ışını tüpü vo optik yoğunluğuna bağlı olarak değişebilirltage.
** Gerçek piksel çözünürlük biraz kaynak, numune ve dedektör yapılandırmasına göre farklı olacaktır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yükleme cihazı "tepki" sürekli bir yük altında, "pushback", sertlik, ve sistem sürüklenme Tahmini

Boşluk: döngüsünün yükleme ve boşaltma bölümleri arasında gerçek boşaltma numune uzakta üst çene (Şekil 3) çeker, yani olduğu gibi, başlamadan önce motorun içinde ters vites sırasında 3 saniyelik bir duraklama mevcuttur. Bu süre sistem çenelerinin açılması kapanış geçmek için çalıştığı zaman zaman bir parçasını temsil eden sistemi, bir ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu protokolü kurulmasında ilk adım rijit bir gövde kullanarak yükleme çerçevenin sertliğini değerlendirmek içeriyordu. Sonuçlara göre, önemli ölçüde daha düşük sertlik sertlik değerleri ile örneklerin daha fazla test için yükleme tertibatının kullanılmasını sağlayan önemli ölçüde daha yüksek idi. İkinci adım, rijit bir gövde, farklı çapraz yoğunlukları PDMS malzeme ve lifli eklemleri kullanarak oluşturulan yükleme-boşaltma eğrisinin iki fazını kullanarak farklı sertlik değerleri ayırmak için enstrümanın yeteneğini vurgu...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar finansman desteği NIH / NIDCR R00DE018212 (SPH), NIH/NIDCR-R01DE022032 (SPH), NIH / NIDCR T32 DE07306 (AJ, JDL), NIH / NCRR S10RR026645, (SPH) ve Koruyucu ve Restoratif Diş Bilimleri Bölümleri kabul ve orofasial Bilimler, ucsf. Ayrıca, yazarlar Xradia Lisans Bursu (AJ), Xradia Inc, Pleasanton, CA kabul.

Yazarlar verilerinin sonradan işleme ile ona yardım için Dr Kathryn Grandfield, ucsf ederim; Drs. Stephen Weiner ve Gili Naveh, Fen Rehovot'taki, İsrail Weizmann Enstitüsü; situ yükleme cihaza özgü onların anlayışlı tartışmalar Dr Ron Shahar, Kudüs Hebrew Üniversitesi, İsrail. Yazarlar ayrıca Micro XBT kullanımı ve in situ yükleme cihazı için ucsf de Biomateryaller ve Biyomühendislik mikroBT Görüntüleme Tesisi teşekkür etmek istiyorum.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Bard Parker BladeBDMEDC-001054
AFM metal diskTed Pella16218
Polimetil metakrilat GC AmerikaN/A
Uni-EtchBiscoE5502EBM
Optibond Solo PlusKerr CorpN/A
Filtek Flow3MN/A
Hurculite UltraKerr34346
Tris tamponuMediatech Inc.
Eklemli kağıtParkell Inc.
Fosfotungstik AsitSigma AldrichHT152
Yok

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Asundi, A., Kishen, A. Advanced digital photoelastic investigations on the tooth-bone interface. J. Biomed. Opt. 6, 224-230 (2001).
  6. Wang, R. Z., Weiner, S. Strain-structure relations in human teeth using Moire fringes. J. Biomech. 31, 135-141 (1998).
  7. 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).
  8. Dong-Xu, L., et al. Modulus of elasticity of human periodontal ligament by optical measurement and numerical simulation. Angle Orthod. 81, 229-236 (2011).
  9. Li, J., Li, H., Fok, A. S., Watts, D. C. Multiple correlations of material parameters of light-cured dental composites. 25, 829-836 (2009).
  10. Zhang, D., Arola, D. D. Applications of digital image correlation to biological tissues. J. Biomed. Opt. 9, 691-699 (2004).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Lin, J. D., et al. Biomechanics of a bone-periodontal ligament-tooth fibrous joint. J. Biomech. , (2012).
  14. 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).
  15. Huelke, D. F., Castelli, W. A. The blood supply of the rat mandible. Anat. Rec. 153, 335-341 (1965).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Lin, J. D., et al. Biomechanics of a bone-periodontal ligament-tooth fibrous joint. J. Biomech. 46, 443-449 (2013).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Hiiemae, K. M. Masticatory function in the mammals. J. Dent. Res. 46, 883-893 (1967).
  23. Hunt, H. R., Rosen, S., Hoppert, C. A. Morphology of molar teeth and occlusion in young rats. J. Dent. Res. 49, 508-514 (1970).
  24. 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).
  25. Lin, J. D., et al. Biomechanics of a bone-periodontal ligament-tooth fibrous joint. J. Biomech. 46, 443-449 (2013).
  26. Quintarelli, G., Zito, R., Cifonelli, J. A. On phosphotungstic acid staining. I. J. Histochem. Cytochem. 19, 641-647 (1971).
  27. Quintarelli, G., Cifonelli, J. A., Zito, R. On phosphotungstic acid staining. II. J. Histochem. Cytochem. 19, 648-653 (1971).
  28. Quintarelli, G., Bellocci, M., Geremia, R. On phosphotungstic acid staining. IV. Selectivity of the staining reaction. J. Histochem. Cytochem. 21, 155-160 (1973).
  29. Crabtree, W. N., Murphy, W. M. The value of ethanol as a fixative in urinary cytology. Acta Cytol. 24, 452-455 (1980).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

In Situ LoadingBone Periodontal LigamentX ray MicroscopyMechanical TestingTooth Displacement3D MorphometricsEccentric LoadingPTA StainingFibrous Joint AnalysisOrgan Level Biomechanics

İlgili makaleler