その場圧縮負荷と骨歯根膜歯繊維状合同の相関的非侵襲的イメージング

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.
Published 3/07/2014
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Bioengineering

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Summary

本研究では、繊維性関節生体力学するマイクロX線コンピュータ断層撮影法と結合され、その場ローディング装置においての使用が議論される。実験の関節バイオメカニクスでの全体的な変化との識別可能な読み出しが含まれます:変位対1)反力を、 すなわち歯の歯槽ソケット内の変位と荷重への反動応答、2)3次元(3D)空間配置および形態計測、 すなわち幾何学歯槽ソケット歯の関係、および3)により装填軸の変化に読み出し1,2の変化、 すなわち、同心または偏心荷重。

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Jang, A. T., Lin, J. D., Seo, Y., Etchin, S., Merkle, A., Fahey, K., et al. In situ Compressive Loading and Correlative Noninvasive Imaging of the Bone-periodontal Ligament-tooth Fibrous Joint. J. Vis. Exp. (85), e51147, doi:10.3791/51147 (2014).

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Abstract

この研究は、新規バイオメカニクス試験プロトコルを示しています。このプロトコルの利点は、このようにシミュレートされた生理的負荷および湿潤条件下で内部構造要素の可視化を可能にする高分解能X線顕微鏡に結合されたその場でのローディング装置の使用を含む。実験の試料は、無傷の骨 - 歯周靭帯(PDL)歯繊維状の関節が含まれます。変位対1)反力:歯の歯槽ソケット内での変位と荷重に対するその反動的応答、2)三次元(3D)空間配置の結果は、それらは、臓器レベル生体力学に適用することができるように、プロトコルの三つの重要な特徴を示すであろうおよび形態計測:幾何学的な肺胞のソケットと歯の関係に起因すなわち 、同心から偏心荷重に積載軸の変化への読み出し1及び2において3)の変更。提案されたプロトコルの有効性は、機械的なテを結合することによって評価される三次元形態計測と関節の全体的な生体力学に読み出しを刺す。また、この技術は、従来の繊維接合部の断層像を取得する実験条件、具体的に反動的負荷を平衡化する必要性を強調する。これは、提案されたプロトコルは、 エキソビボ条件下での試験片の試験に限定され、軟組織の機械的応答を可視化する造影剤の使用は、組織および器官レベルの生体力学に関する誤った結論を導くことができることに留意すべきである。

Introduction

いくつかの実験方法は、可動結合の繊維状関節の生体力学を調査するために使用され続けている。歯の器官に特異的な生体力学の方法は、歪みゲージ1-3、光弾性法4,5、モアレ干渉法6,7、電子スペックルパターン干渉8、およびデジタル画像相関(DIC)9-14の使用を含む。本研究では、革新的なアプローチは、繊維接合部の内部構造(石灰化した組織とそのインタフェース軟らかい区域からなる、このような靭帯などの組織とのインターフェース) インビボ条件に相当する負荷でを露出させるためにX線を用いた非侵襲的イメージングを含む。マイクロX線顕微鏡に結合されたその場での装填装置が使用される。ロード時および荷重 - 変位曲線は、新たに採取したラットヘミ下顎骨内の関心のモルロードされるように収集することができる。 M1)無負荷時にロードされ、2の場合)に同心と偏心してロードされたこの研究で提示アプローチのAINの目標は、3次元での条件を比較することにより、歯の骨の形態の効果を強調することである。カット標本の必要性を排除し、湿潤状態で、全体完全な臓器で実験を行うためには、3D応力状態の最大保存を可能にする。これは様々な荷重シナリオの下での複合体の動的プロセスを理解する上で、調査の新しい領域を開きます。

本研究では、スプラーグドーリーラットの無傷の線維関節内の試験PDLバイオメカニクスのための方法は、最適な生物工学モデル系として考え継手について詳細に説明する。彼らは臓器レベルのバイオメカニクスに関連する実験は、関節の三つの重要な特徴を強調するために、水和された条件の下で咀嚼負荷のシミュレーションが含まれます。 3点が含まれます:変位対1)反力を:歯の歯槽ソケット内の変位と荷重への反動応答、2)3次元(3D)空間構成と形態計測:歯槽ソケット歯の幾何学的関係、および原因の変化に読み出し1及び2において3)の変化すなわち 、同心から偏心荷重に積載軸。提案手法の3つの基本的な読み出しは、機能的需要の変化、および/または疾患に起因するいずれかの脊椎動物における関節の適応性を調査するために適用することができる。前述の読み出しの変化、異なる負荷率で特異的に変位に反動的負荷との間の相関関係、および反動ロード時および荷重 - 変位曲線を生じたが、関節の生体力学の全体的な変化を強調するために適用することができます。提案されたプロトコルの有効性は、三次元形態計測および関節の全体的な生体力学に機械試験読取値を結合することによって評価される。

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Protocol

動物のハウジングと安楽死:このデモで使用されるすべての動物は動物実験使用委員会(IACUC)と国立衛生研究所(NIH)のガイドラインに基づいて病原体を含まない条件下で飼育した。

標準ハードペレットラット飼料と水アドリブで動物を提供する。 IACUCによって承認されたUCSFの標準的なプロトコルに従って、二酸化炭素窒息、両側性開胸の二段階法を介して動物を安楽死させる。組織の劣化を避けるために、動物の犠牲の24時間以内の生体力学的試験を行う。

1。ラット下顎または上顎の製造および解剖

  1. 筋突起と関節突起プロセス( 1)15を含む全体の下顎を維持しながら、ゆっくりと膜状の組織や筋肉組織の添付ファイルを切断することによって、ラットの下顎骨を削除します。
  2. 車で別々のhemimandiblesefullyメスの刃と下顎恥骨の繊維組織を切断する。
    注:これらは、物理的に2 番目の臼歯の生体力学的試験を妨害した場合、冠動脈および下顎頭プロセス、および下顎骨の枝( 図1)を除去しなければならない。
  3. モルのロードを妨げないよう髄室を公開することなく切歯を切った。

2。 その場での圧縮荷重用の試料作製(図2)

  1. その場でのローディング装置図2A)でそれをロードする前に、実験試料よりも有意に硬い材料を用いてスチールスタブに試料を固定する。
    注意:ポリメチルメタクリレート(PMMA)があれば、歯科Explorerを使用して除去し、本試験と超過試料を固定するために使用された。
  2. 両方でストレートエッジを使用して原子間力顕微鏡の金属試料ディスクと金利のパラレルのモル(S)の咬合面の位置を合わせます平面( すなわち近心-遠心と頬舌下)。
  3. 臼歯の周囲の鈍器とトラフを作成します。
    注:この空間は、余分な液体が含まれており、 その場での負荷間に組織の水和を維持するための「堀」として機能する必要があります。
  4. 歯科用コンポジットを使用した同心円状( 図2B)または偏心( 図2C)ロードに構築するために、歯の表面を準備します。 15秒間咬合面上の35%リン酸ゲルで目的の歯の表面をエッチングする。
  5. 脱イオン水で十分にエッチング液をすすぎ、空気/水シリンジまたは圧縮空気ボンベを使用して表面を乾燥させる。エクスプローラで、薄い層で、オープンカスプに接着剤の滴を広げた。歯科用硬化光で複合を治す。
    注意:コンポジットを含むすべてのステップは、ランプからの直接光せずに実行する必要があります。このような条件は、望ましくない重合プロセスを加速し、クーロンう複合体の適切な配置を妨げるdは。部屋の照明が許容される。
  6. 細かいメスまたはカミソリの刃で隣接する歯から余分な接着剤を除去します。
  7. 表面の調製後面には、流動性歯科用コンポジットを配置して、歯科Explorerを使用して、関心のモル(S)の溝にそれを広げた。
  8. 30秒間、歯科用硬化光にコンポジットを公開します。
  9. 関心のモル(S)と30秒間光硬化の咬合面から、歯科用レジンコンポジットを使用して約3〜4程度の咬合の蓄積を成形。
  10. ストレートエッジと高速ハンドピースを使用して、すべての試料間で整合性のある負荷スキームを有効にするには、平らな面に平行に、複合の蓄積の上を減らします。
    注:生体力学テスト中に、他の標本は、50 mg / mlのペニシリンをトリスリン酸緩衝液(TBS)に格納され、ストレプトマイシン15すべきである。

3。ローディング装置ドリフトと剛性、材料特性差別化機能、繊維状合同の現場読み込み

  1. 図2(b)に示すように均一なロード用のロードステージのアンビル上の複合蓄積した試料、およびテストを固定します。
  2. 図2Bおよび2C)、同心または偏心荷重をチェックするために、有限の負荷に試料をロードすることによって、その後、複合材料の表面に咬合紙を置きます。
  3. 試料水和を確実にするために、検体を中心に、TBSに浸したキムワイプを配置します。標本の周りトラフを行い、撮像中に水和さの臓器を維持するためにTBSでそれを埋める。
  4. hemimandibleの固定化以下の変位速度で所望のピーク負荷にモルを圧縮するDebenソフトウェアに入力ピーク荷重と変位速度。
    注:材料は荷重変換器の感度= 0.1(時間をかけて圧縮される典型的な読み出しは反動負荷を含める必要がありますN)。ロード時や変位時から、圧縮された材料のための荷重-変位曲線は16〜18を取得する必要があります。荷重サイクルから収集されたデータを用いて、関節の諸特性を決定することもできる。関節の剛性は、変位曲線19対 ​​荷重の負荷フェーズの直線部分(データの最後の約30%)の勾配を取ることによって計算されるべきである。

4。リンタングステン酸(PTA)と軟組織染色、PDL、

注:X線減衰のコントラストを高めるために、PDLは、5%のPTA溶液20で染色されるべきである。

  1. きれいな1.8ミリリットルガラスカープルに埋め戻し、PTA染色液と注射器に充填カープルを置く。
  2. 関心対象の分子の周囲の歯周組織に構造上の損傷を防止するために隣接する歯のPDL空間内に溶液をゆっくりと(5分/カープル)を注入する。
    (注)上記の手順をbすべき溶液の約5浴室carpules(9 ml)を注入し、周囲の組織に流すされるまで電子を繰り返す。準備された標本はまた、残りのPTA溶液(8時間)中で一晩浸漬することができる。

5。推奨されるμ-XCTスキャン設定

次のスキャン設定でM-XCTを実行します。

対物倍率 4X、10X
1800の画像
X線管電圧 75のkVp(PTA染色したサンプルでは50のkVp)
8 W
露光時間 〜8月25日秒*
〜4μmの(4倍対物レンズ)、〜2ミクロン(10×対物レンズ)**

*露光時間は、幾何学的形状と、試料とX線管のvoの光学密度に基づいて変化し得る間電圧。
**実際のピクセル解像度が若干源、試料、検出器の構成に基づいて異なるであろう。

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Representative Results

定荷重下でのローディング装置「バックラッシュ」、「プッシュ」、剛性、およびシステムのドリフトの推定

バックラッシュ:サイクルのロードとアンロード部の間に、真のアンロード標本が離れてトップジョー( 図3)から引っ張るすなわちとして、開始前にモーター内で逆ギヤその間3秒のポーズが存在する。この期間は、システムが、顎部の開口部に開閉の切り替えを試みている時間のセグメントを表すシステムにおけるバックラッシュと呼ばれる。これは、すべての負荷サイクルにかかわらず、検体または荷重条件( 図4)の同様のバックラッシュ応答を含むことに留意すべきである。剛体を用いて得られた対時間曲線通常の負荷は、2つの異なるlのロード、アンロード、およびバックラッシュ領域を強調する図3A及び図3Bに示されている6 Nおよび16 NのOADSは、対応する三つのセグメントをハイライト変位曲線対垂直荷重は、 図3Cに示されている。

プッシュ:全バックラッシ期間が同じ3秒の時間枠、反動応答内およびバックラッシュ領域の形状は、試料に応じて変更することができ、結果として生じたが。骨PDL歯錯体とpolydimethlysiloxane(PDMS)と比較した場合、剛体( 図3)を使用してシステムをテストすることによって、反動荷重で最も急勾配及び最高低下が観察された。しかし、繊維状のジョイントは、PDMSに比べてバックラッシュフェーズの間に反動負荷の大幅な低下を示した。 PDMS( 図4)の標本は少なくともドロップ( - 図4A午前1時05 1:25架橋密度の間に違いがない)ように見えた。

剛性:負荷装置の剛性テストAGainst剛体は複雑であり、PDMS片のそれよりも有意に高かった。これらのデータは、骨PDL-歯の複雑でより柔らかい材料( 図4B)の生体力学の変化を強調するためにローディング装置の有効性を検証する。

μ-XCTを使用して完全な骨PDL-歯の複合施設内にソフトとハードの組織構造を可視化:染色されていないが、水和した繊維状のジョイントでは、歯槽骨、セメント質、エナメル質、及び象牙質などの硬組織の機能、の減衰が強調表示された( 図5Aおよび5B)。しかし、主に有機軟らかい組織を含まスペースは比較的「空」(黒)PDL空間を残して、X線に対して透明であった。 PTAで処理された標本は、このように、PDLおよび歯肉組織( 図5C-F)の特徴を代表を強調し、PDL-空間内で増加し、コントラストを示した。高い壮麗でスキャンするATIONは、歯と骨との間の繊維ネットワークとしてのPDLを明らかにした。

変位対反力: その場の読み込み中の間に繊維状の関節の生体力学的特性:同心円状のロードと比較して、類似した試料上の偏心荷重パターンが与えられた反動負荷( 図6A)のための関節内の歯の増加変位を示した。しかし、PTAで処理し、繊維状の関節の全体的な生体力学における有意差は関係なく荷重条件( 図6B)の観察されなかった。未処理が、偏心してロードされたシステムでは、肺胞のソケットにルートの増加変位は荷重-変位曲線( 図6C)に見られるように、低剛性と相関させることができる。対照群内で収穫された繊維の関節の生体力学的応答の範囲につながる自然の分散があるかもしれませんが、繊維状のPTAが処理された関節は、増加した剛性を示し、少ないソケット内の指定された反動ピーク負荷のための未処理の対応物と比較避難。しかし、未処理およびPTA治療検体間の負荷サイクルのバックラッシュ相の形状や期間中の検出可能な変化はなかった。

三次元の空間構成と形態計測:μ-XCTを使用してロードされた条件の下での骨歯の構成をマッピング:断層像から取った仮想スライスは、ソケット内の1)歯の移動を説明するために比較された、2)歯骨関連2Dおよび3Dの両方、3)偏心への移動の程度は、同心ローディングと比較して。歯の移動は、無負荷時と負荷時の類似した仮想スライスの重ね合わせによって強調し、GIFムービーを生成していました。両方ローディング方式は、歯が、関節内の垂直方向に偏心荷重の設定( 図7B及び7C)Cを移動させながら、根が同心ローディング·スキャン( 図7及び図8)と比較して、根の先端辺に沿って減少したPDL空間をもたらす遠位に回転すると、歯のさらなる回転作用をaused。 PTA染色されたPDLは、より減衰( 図5)、PTA治療関節の歯槽ソケット内歯の移動( 図6Bおよび6C)あまりはっきりと生体力学的データと相関していただったが。

図1
図1。生体力学的試験のためにhemimandibleを準備する主要な場所の適応15イラスト。挿入図内に示さがhemimandibleです。


図2。 その場での搬入部と、μ-XCTシステムの構成。(A)のマイクロX線コンピュータ断層撮影法(μ-XCT)ユニット内のカスタムホルダーにその場でのローディング装置の画像。同心(B)とアンビルとの複合表面との間の接触の種類によって決定偏心(C)負荷条件は、回路図の形で示されており、対応する実験装置(領域(A、白のボックスで強調表示されたものに対応している連接紙から)であった。マークは、アンビルと歯科コンポジット間の最初の接触面積を確定します。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。</ A>

図3
図3。システム"バックラッシュ"を示す代表的な荷重-時間曲線。剛体を使用して、時間対荷重はアンビルの開閉の間、イベントとしてバックラッシュ期間を示している。緑色の領域はアンビルが15 N(A)と5 N(B、挿入図)に剛体をロードするために(緑の領域)に近づいているのローディング期間を示している。青色領域は、アンビルは互いに後退しているアンロード期間を示している。しかし原因によりギア逆転にかかる時間を瞬時運動応答がないために、〜3秒のバックラッシュ期間がそこにある。真のアンロードが発生する前にこの時間の間に負荷が2 Nで約減少します。ロードとアンロードのイベントは、変位グラフ対ロードに関連付けることができますバックラッシュ期間中に最小限の変位を示し、S(C) 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

図4
図4。代表的な荷重-変位曲線と「プッシュバック」効果は、PDMSを用いたボトム曲線架橋剤比、モノマーを減少させるPDMSの間のロード時間関係は、材料特性の差を検出するためのインサイチューローディングユニットの能力を明らかにする。上部カーブ、左、右、材料の回復に対するシステムのバックラッシュの変化を示す。比較して、左右の1:25 PDMSと1時05分の間に回収差が最小であるか内にないことを示す、同様の効果を示してローディング装置の検出限界。剛体アルミニウム、実験試料、および3 PDMS片を含む変化させる材料用B)荷重-変位曲線。それは、材料の剛性を計算するために使用されたローディング曲線の30%直線部分の傾きである。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

図5
図5。 PDLの構造強調のために染色下顎第二大臼歯のX線の仮想のセクション。未処理の臼歯内(A、B)グレースケール値は、コンプレックス内のよりソフトな領域を含む様々な組織のX線減弱を示している。しかし、PDL等nonmineralized組織は、その男にハイライト表示さ​​れませんでしたinimal 75のkVpのX線エネルギーの特性を減衰させる。柔らかめのPDLの減衰特性を染色(CF)に続いて、PTAが強化され、PDL内の詳細は、X線顕微鏡を用いて可視化した。このように、2D仮想矢状(C-4X倍率、E-10X倍率)と横方向(D-4X倍率、F-10X倍率)の項では、PDL繊維配向(黄色の矢印)を明らかにした。歯髄スペースは無染色のまま骨内空間(オレンジの矢印)と、PDL(白矢印)内の血管の内腔は、暗い円形の構造が表示されます。染色手順で作成した成果物は、また、(D、赤のアスタリスク)記載されています。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

図6 FO:SRC = "/ files/ftp_upload/51147/51147fig6highres.jpg" SRC = "/ files/ftp_upload/51147/51147fig6.jpg" />
図6。同心円状に偏心ロードの標本。トップ(A)と下のパネル(B)は、無負荷時の歯の骨関係のクイックタイムムービーを例示し、それぞれ同心円状に偏心15 Nにロードされたとき。時(A)未処理及び(B)の条件を染色頂部および底部パネルは、骨-歯の会合を示す。センターパネル(C)は、偏心して同心(左カーブ)ロード錯体、染色し、染色していない(右カーブ)錯体との間で異なる荷重-変位挙動を示している。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

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図7。同心円状に(A)と偏心して(B)のロードされたときに2 番目の臼歯は歯槽ソケット歯の関連を示しての矢状断面。圧縮の大部分は根間(矢頭)と頂端(矢印)領域内で見られた。偏心荷重(B)中の歯の仮想切片と比較した場合、歯の動きの原因の追加の回転成分は、近心根の先端側への圧縮を増加させた。オーバーレイされた横断面は、遠位翻訳と歯の時計回りの回転運動(緑根)同心円状にロードされた歯(灰色)と比較して明らかにした。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

図8 図8。再構成3D映画は 、(E)に偏心し、ロードされた同心円状にロードされ、複雑な(D)と比較した根の先端側内部に減少したPDL空間を明らかにした。クリックしてここに偏心荷重を表示し、クリックし、ここで同心の負荷を表示する。

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Discussion

このプロトコルを確立する最初のステップは、剛体を用いて装填フレームの剛性の評価に関連している。結果に基づいて、剛性が著しく低い剛性値を有する標本のさらなる試験のためのローディング装置の使用を可能に有意に高かった。第二段階は、剛体、異なる架橋密度のPDMS材料、及び繊維状ジョイントを用いて生成された搬入出曲線の2つの相を用いることにより、異なる剛性値を区別するための器具の能力を強調した。バックラッシュ段階中の負荷相とからプッシュバック剛性がアンローディング以下の材料の回復に対する材料の抵抗性を識別するために使用される( 図3および4)した。プロトコルの第3および第4のステップは、tと共に行われ、in situで撮像するローディング装置から得られた荷重-変位曲線の変化を相関させるた彼は、X線( 図5)の使用。これは、関節をロードし、それぞれの同心と偏心条件の下で、無負荷および負荷で断層像を得ることに関与。プロトコルは、PDL圧縮のレベルのローディング軸差を変化させることにより( 図6および7)強調表示することができることを実証した。この議論では、まず、機器の機能と十分に理解し、事前の骨PDL-歯の複合体の生体力学的試験するために満たされなければならない課題が強調表示されます。

実験装置の課題

複合蓄積:プロトコル自体は比較的簡単ですが、細心の注意を払って行う必要があり、いくつかのステップがあります。最大の課題の1つは、その後、機械的に、複数の歯をリンクする隣接歯に過剰な複合材料は、オーバーフローしなかったことを確認し、共同mechanを偽ることでした単独歯のICS。歯科用ツールの有意な手先の器用さや知識は、この手順のために有用であることが証明されているので、ロードのための試料の調製は、主に光学倍率の助けを借りて、歯科の学生や歯科医によって行った。

整合性のある負荷スキーム:生体力学的試験のためのもう一つの重要なディテールが整合性のある負荷スキームを確保することでした。 その場でのローディング装置の顎複合体の対向面との接触面積が実験に非常に重要であることが判明した。繊維状関節の力学同心と偏心(アンバランス)の負荷を用いて、本研究においてシミュレーションした接触面積の結果として変化することができるからである。本研究で示したシナリオは、歯槽ソケット( 図5)内で歯の移動の変化をもたらす可能性があり、哺乳類の歯の咬合変化の可能性を、模倣。それはTHAを理解されている間T提案テストメカニズムは、標準試験法としての地位を提示し、生理的な咀嚼サイクルを模倣していません。ローディングステージのジョーに平行な面を有する複合ビルドアップを作成することによって、我々は一貫してローディングパターンを生成することができた。この標準的な試験方法は、種々の実験群からの骨 - 歯PDL-複合体の生体力学の変化を同定するために使用することができる。

インサイチューローディング装置内の感度:実験プロトコルは、二つの標準的な材料と考えることができる3つの異なる試験片を用いて、 その場でのローディング装置の検出限界を検証するための方法を記載する。アルミを使用してテストのロードフレームの剛性は、様々なPDMS標本の観察機械的挙動、および繊維状関節の生体力学的応答を無視できる程度貢献して有意に高かった。試験したすべての標本は、バックラッシュの期間を有していた〜3秒、わずかに試料の種類に( 図4A)に変化バックラッシ部の形状。よりソフトな標本が激減( 図4A)を示さなかったが、剛性の標本は反動的負荷( 図3Aおよび4A)の急激な減少を示した。これは、バックラッシュ動作の違いは、ギア逆転時にギアに押し戻す試料の能力に起因すると主張することができます。顎が試料から離して移動し始めるように、歯車にプッシュバック効果は、材料のピーク反動応答における低ドロップに現れる可能性があります。従って、バックラッシュセグメントは材料特性に洞察を得るために利用することができる。荷重-変位曲線から算出したPDMSの剛性値は、文献と一致した22値 、および架橋PDMSための剛性の範囲は、骨PDL歯複合体の範囲内であった。このため、 その場での積載d eviceは、それが肺胞ソケットに圧縮されるように、歯の変位と反動的応答を測定するのに適している。反動的レスポンスがより柔らかくかつ/または硬い構成要素であることができる。難しい以上より柔らかい成分の優位性は、デジタル骨PDL-歯の複雑な13の中にひずみが支配する領域を同定するために、ロードされた条件は、無負荷の相関をとるんが続き、段階的およびイメージングロードすることで識別することができます。

咀嚼の主成分が軸方向である:ヒトと同様に、ラットの咀嚼サイクルは、食品23,24をかむために下顎の自由な動きを伴う。この動きは、横方向の動きのような多くの異なる方向を含むようにマッピングされているが、負荷の主成分は、軸方向23であると考えられている。そのため、軸方向のその場での負荷シミュレート同心円いずれかに配置されたLYまたは偏心した( 図2)。

臓器レベルのバイオメカニクスに関連する結果に影響を与える可能性が実験的要因: その場の読み込み中とのカップリングのX線顕微鏡の利点は、荷重-変位曲線は歯槽ソケット、根の形と歯の空間的関連を相関させることができるということです歯槽表面、および負荷の下で、PDL空間の狭小化と拡大。相関および補完的な評価は、臓器の生体力学を決定するための総合的なアプローチを提供します。過去には、それが唯一の器官および/または組織の力学は、荷重 - 変位挙動を促すことができると仮定された。このプロトコルは、荷重下での移動部材との関連も観察剛性の決定的な特徴であることを示した。最初の5-8のN内で観察された変更は、PDLの質内の初期コンホメーション変化によってもたらされると考えられているコラーゲンとロードするための最小限の抵抗で間質液の交換、この領域は、「uncrimping」領域26と呼ばれている。 7 Nより高い負荷は、歯、骨、歯根膜の歪硬化の影響、および組織を取り付けるインターフェースに貢献することができた。 PDL-スペースが最小化され、PDLはひずみ硬化を受けるように、歯と骨のソケットの間に硬組織の相互作用は、スロープを変位に急な負荷をもたらし根間地域で発生する。されたら材料の回復に加えて、ローディング装置のバックラッシュは、他の研究16、25で行ったように関節を変えることなく、PDLの粘弾性の性質を調べるために利用することができる。

荷重変位曲線の中の一般的な領域は、関節内のいくつかのイベントに相関している。上記のイベントには、2のローディング方式の間の共通点である。しかし、違い同心円状の偏心荷重 - 変位プロファイルとそれに対応する断層像との間の全体的な臓器の生体力学の負荷方向の影響を強調した。これらの違いの主な供給源は、それが特定の領域においてPDL空間の圧縮を引き起こす、関節内に変位させるように、歯の回転の導入であった。これは、正常な生理的負荷が回転歯の移動を導入するものを含むいくつかの方向に歯に適用されることが理解される。しかし、同心円状のローディング方式は、全ての検体間で「標準」、偏心荷重を適用することの難しさに起因する標準搭載方式として使用することをお勧めします。このような実験プロトコルが適応とnonadaptedシステム間の生体力学的な違いを区別するために用いることができる。

高エネルギーX線を使用する欠点の一つは、それらが最小限軟らかい組織によって吸収され、不十分なコントラストが産生されることである。 PDLはtranspareですntのX線の結果として、造影剤の使用を必要とする。 PTA直接27-29を染色およびX線を用いて視覚化を可能にすることにより、軟組織のコントラストを増強する。したがって、ロードおよびアンロード断層撮影の間に染色された軟組織領域内に造影剤が、可視変形を用いて観察されたが、より高い倍率(少なくとも10倍)を分析(データは示していない)のために推奨される。染色プロトコルの制限は、エタノールの使用、PDLと誤った結論に至る全体的な関節の力学の剛性を変更した可能性がありマイルドな固定剤29が含まれていました。

結論

本研究では、無傷の骨のPDL歯繊維状関節の生体力学的応答を解析するための新規な試験プロトコルを強調したが、ex vivoでの条件で。データの事後分析を含め記載の実験方法は、experの効果を測定するために使用することができるimental変数( すなわち疾患、成長因子、年齢、治療分子)骨PDL歯繊維状関節の力学。さらに、これらの実験からの結果は、マクロスケール臓器レベルでの変動の間の関係は、組織および細胞レベルでの特定の変化に関連することができるためのベースラインとして役立つ。プロトコルの制限は、ex vivoでの条件の下でイメージング、造影剤の使用、及び断層像を生成するために必要な、より長い取得時間の間に起因する組織の弛緩に歯と歯槽ソケットの表面の間の空間精度の損失が含まれています。

補足資料

上顎臼歯内の生体力学的試験のためのプロトコル:

1。上顎をテストするとしたら、上に向けて腹側面(口の屋根)で各ラットの頭蓋骨から上顎を削除します。筋肉や靭帯の結合組織からを断つ前庭を切断することによって頭蓋骨の外側面(歯茎と頬との間にポケット)。

2。触診や頭蓋骨の上顎骨の頬骨突起を破砕し、上顎骨から頬骨弓を断つ。

3。軟口蓋から始まる脳を通じてバルク解剖ハサミでまっすぐに頭蓋骨を切った。頭蓋骨の前面を隔離し、離れて頭蓋骨の背側面(上)から頭皮の皮をむく。

4。細かい解剖ハサミで、硬口蓋の中心を通ると切歯間の歯間の領域に直線を次の切開を行うことによって、左右hemimaxillaeを分離する。切り込みの深さが浅くなっていることを確認します - 硬口蓋に穴を開けるのに十分なだけ深く。

5。切開(頭蓋骨の長軸に対して)垂直にすることでhemimaxillaeを隔離第三大臼歯への第一大臼歯と後に前方。 1)ルート構造を破壊する可能性があり、このために第一及び第三大臼歯にあまりに密接に切断しないでください。2)すべての3大臼歯の周囲の歯肉組織を離れてリッピングしないでください。各hemimaxillaよりも優れ薄い上顎骨を切断することにより、頭蓋骨からhemimaxillaeを分離する。余分な組織や骨の骨片を取り除く。

機械試験装置の検証:

装填フレームの剛性および負荷/変位変換器のドリフトを決定するために、実験試料のそれよりもはるかに高いことにより、このような弾性率を有するアルミニウムなどの剛体を使用する。

楽器はよりソフトな要素の様々な剛性を表す値を分化することができるかどうかを判断するには、様々な架橋密度(1:5 1:10、重量ベース1:25架​​橋剤)と、PDMSブロックを作製し、これを用いたこれらのロードその場でのローディング装置

軟らかい素子のコントラスト強調のための位相コントラストモード:PDLのコントラスト増強は、スキャナの位相コントラストモードを利用することによって行うことができる。基本的に、位相コントラストは、組織の縁部での位相シフトのスキャナ検出機能を利用して、強化された構造的な詳細を提供する。その結果、本研究では、セメント芽細胞、小腔および骨細胞-窩の小腔は、それぞれの石灰化した組織内の気孔率として現れた。これらの構造は、以前に吸収モードの下で、標準的なスキャンで検出されなかった。断層像は負の空間、すなわち、PDL空間とハバース運河システムを含む骨内膜スペース内の構造を可視化するために許可された送信モード(3Dモデルについては、図S1を参照)の下で取得した。 PDL-空間内の付加的な構造は、そのようなことを私に連続している血管系のように、同様に可視化することができるN個の骨。

断層像取得し、システムのドリフトのための負荷平衡化:このセクションでは、最高の補足図2を参照して説明することができる。図S2Aは、従来の断層像を取得するピーク負荷を平衡化する必要性を実証する。ピーク時の負荷は常に低い規模に崩壊し、6〜8時間の断層像が取得される前に、システムを1時間以上で平衡化されるべきである。なお、取得した断層像は、ピーク負荷時の骨歯の会合の代表が、ロード2-3にNピーク荷重よりも低くないことに留意すべきである。さらに、硬質アルミニウムスタブを用いて同定測定システムのドリフトは、変位速度および/ ​​またはピーク負荷( 図S2B及びS2C)と共に変化することが見出された。近似ドリフト値が+1 N /時間の範囲であった。

機械的試験に続いて、繊維質の関節の断層像は無負荷時に撮影された、そして所望の変位速度でのピーク負荷に。ロードされた条件下での断層像を取得する前に、お手入れには、システムが平衡(安定性)にスキャンが進むべき次のように来ることができるように注意する必要があります。同じような条件は、偏心してロードされたとPTA染色複合体のために繰り返した。断層像から、仮想スライスは2次元および三次元で両方の歯骨関連を識別するためにロードされた条件は、無負荷で比較した。

補足図1。位相コントラスト増強X線顕微鏡を用いて負の空間の3次元再構成は、位相コントラストエンハンスメントモードの下での組織の縁部で生じる位相シフトは、PDL内の血管を強調するために利用された。送信モード(右)のPDLスペース内の血管だけでなく骨内のスペースを強調しながら、具体的に吸収モード(左)、視野内に石灰化した組織を強調した。

10トン"> 補足図2。ピーク反動勢力の崩壊平衡状態に先立ち、CTスキャンへ。曲線は、繊維状の関節(上のパネル)の反動応答、剛体(下のパネル)の異なる減衰率を示している。

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Disclosures

著者らは、開示することは何もありません。

Acknowledgements

著者らは、資金援助、NIH / NIDCR R00DE018212(SPH)、NIH/NIDCR-R01DE022032(SPH)、NIH / NIDCR T32 DE07306(AJ、JDL)、NIH / NCRR S10RR026645、(SPH)と、予防と修復歯科学の部門を認め、口腔顔面科学、UCSF。また、著者は、Xradia大学院フェローシップ(AJ)、Xradia社、プレザントン、カリフォルニア州を認める。

博士、著者は、データの後処理との彼女の援助のために博士がキャサリンGrandfield、UCSFに感謝します。スティーブン·ワイナーとギリ者Naveh、科学、レホボト、イスラエルのワイツマン研究所、 中のその場での負荷装置に固有の彼らの洞察に満ちた議論のための博士ロンシャハー、エルサレムのヘブライ大学、イスラエル。著者はまた、マイクロXCT その場で装填装置を使用するためのUCSFの生体材料とバイオマイクロCTイメージング施設に感謝したいと思います。

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

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References

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