In situ carga de compresión y de imágenes no invasiva correlativa del hueso-ligamento periodontal de dientes fibroso Conjunta

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

En este estudio, se discutirá el uso de un dispositivo de carga en situ junto con la tomografía de rayos micro-X calculado para la biomecánica conjuntos fibrosos. Lecturas experimentales identificables con un cambio general en la biomecánica articular serán los siguientes: 1) fuerza reaccionaria contra el desplazamiento, es decir, el desplazamiento del diente en el alveolo y su respuesta reaccionaria a la carga, 2) en tres dimensiones (3D) la configuración espacial y la morfometría, es decir geométrica relación de los dientes con el alvéolo, y 3) cambios en las lecturas 1 y 2 debido a un cambio en el eje de carga, es decir, las cargas concéntricas o excéntricas.

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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

Este estudio demuestra un protocolo de pruebas novedosas biomecánica. La ventaja de este protocolo incluye el uso de un dispositivo de carga en situ acoplada a un microscopio de rayos X de alta resolución, lo que permite la visualización de elementos estructurales internos bajo cargas fisiológicas simuladas y condiciones de humedad. Muestras experimentales incluirán ligamento-hueso periodontal intacta (PDL) de diente de articulaciones fibrosas. Los resultados se ilustran tres características importantes del protocolo, ya que se pueden aplicar a la biomecánica a nivel de órganos: 1) la fuerza reaccionaria contra el desplazamiento: desplazamiento del diente en el alveolo y su respuesta reaccionaria a la carga, 2) en tres dimensiones (3D) configuración espacial y morfometría geométrica: la relación del diente con el alveolo, y 3) cambios en las lecturas 1 y 2 debido a un cambio en el eje de carga, es decir, desde concéntrica a cargas excéntricas. La eficacia del protocolo propuesto será evaluado mediante el acoplamiento mecánico del telecturas picadura a la morfometría en 3D y la biomecánica globales de la empresa. Además, esta técnica se hará hincapié en la necesidad de equilibrar las condiciones experimentales, cargas específicamente reaccionarios antes de la adquisición de tomografías de articulaciones fibrosas. Debe tenerse en cuenta que el protocolo propuesto se limita a analizar muestras bajo condiciones ex vivo, y que el uso de agentes de contraste para visualizar la respuesta mecánica de los tejidos blandos puede llevar a conclusiones erróneas acerca del nivel de órganos tejidos y biomecánica.

Introduction

Varios métodos experimentales siguen siendo utilizados para investigar la biomecánica de las articulaciones diartrodiales y fibrosos. Métodos específicos para la biomecánica de órganos de dientes incluyen el uso de medidores de deformación 1-3, métodos fotoelasticidad 4, 5, interferometría moiré 6, 7, patrón de moteado electrónico interferometría 8, y la correlación de la imagen digital (DIC) 9-14. En este estudio, el enfoque innovador incluye imágenes no invasivo que usa rayos X para exponer las estructuras internas de la articulación fibrosa (tejidos mineralizados y sus interfaces consistentes en zonas más suaves, y la interconexión tejidos como ligamentos) con cargas equivalentes a las condiciones in vivo. Se realizará una dispositivo de carga in situ en acoplada a un microscopio de micro-radiografía. El tiempo de carga y las curvas de carga-desplazamiento se recogerán como el molar de interés dentro de una rata hemimandíbula recién cosechado se carga. La mmeta ain del enfoque presentado en este estudio es hacer hincapié en el efecto de la morfología tridimensional de dientes de hueso mediante la comparación de las condiciones en: 1) sin carga y una vez cargado, y cuando 2) cargado concéntrica y excéntrica. La eliminación de la necesidad de que los especímenes de corte, y para llevar a cabo experimentos en los órganos intactos enteras en condiciones de humedad permitirá la máxima preservación del estado de estrés en 3D. Esto abre una nueva área de investigación en la comprensión de los procesos dinámicos del complejo bajo varios escenarios de carga.

En este estudio, los métodos para las pruebas de biomecánica PDL dentro de una articulación fibrosa intacta de una rata Sprague Dawley, se detallarán una empresa considerada como un sistema óptimo modelo de la bioingeniería. Los experimentos incluyen la simulación de cargas de masticación en condiciones hidratadas con el fin de destacar tres características importantes de la articulación que se relacionan con la biomecánica a nivel de órganos. Los tres puntos serán los siguientes: 1) fuerza reaccionaria contra el desplazamiento:desplazamiento del diente en el alveolo y su respuesta reaccionaria a la carga, 2) en tres dimensiones (3D) la configuración espacial y morfometría: relación geométrica del diente con el alveolo, y 3) los cambios en las lecturas 1 y 2 debido a un cambio en la eje de carga, es decir, desde concéntrica a cargas excéntricas. Los tres lecturas fundamentales de la técnica propuesta se pueden aplicar para investigar la naturaleza adaptativa de las articulaciones en los vertebrados, ya sea debido a los cambios en las demandas funcionales, y / o enfermedad. Los cambios en las lecturas antes mencionadas, específicamente la correlación entre las cargas reaccionarios con el desplazamiento, y que resulta en tiempo de carga y de carga-desplazamiento curvas reaccionarios a diferentes tasas de carga se pueden aplicar para resaltar los cambios globales en la biomecánica articular. La eficacia del protocolo propuesto será evaluado mediante el acoplamiento de las lecturas de ensayos mecánicos para la morfometría en 3D y la biomecánica globales de la empresa.

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Protocol

Alojamiento de animales y la eutanasia: Todos los animales utilizados en esta demostración fueron alojados en condiciones libres de patógenos, de acuerdo a los lineamientos del Cuidado de Animales y el empleo Comisión Institucional (IACUC) y el Instituto Nacional de Salud (NIH).

Proporcionar los animales con comida para ratas hard-pellet estándar y agua ad lib. La eutanasia a los animales a través de un método de dos pasos de asfixia con dióxido de carbono, la toracotomía bilateral de acuerdo con el protocolo estándar de la UCSF, aprobado por el IACUC. Realizar pruebas biomecánicas dentro de las 24 horas de sacrificio de animales para evitar la degradación del tejido.

1. Preparación y Disección de una rata o Mandíbula Maxilar

  1. Retire las mandíbulas de rata mediante el corte de tejido y suavemente el tejido muscular adjuntos membranosas preservando al mismo tiempo toda la mandíbula, incluyendo el proceso coronoides y el proceso condilar (Figura 1) 15.
  2. Hemimandíbulas separados en cocheefully cortar el tejido fibroso de la sínfisis mandibular con una hoja de bisturí.
    Nota: Los procesos coronarios y del cóndilo y rama de la mandíbula (Figura 1) deben ser removidos si obstaculizan físicamente pruebas biomecánicas del 2 º molar.
  3. Cortar los incisivos sin exponer la cámara de la pulpa de no obstaculizar la carga del molar.

2. Preparación de las muestras in situ para la compresión de carga (Figura 2)

  1. Inmovilizar la muestra en un trozo de acero mediante el uso de un material que es significativamente más rígido que el espécimen experimentales antes de cargarlo en un dispositivo de carga en situ (Figura 2A).
    Nota: polimetilmetacrilato (PMMA) se utiliza para inmovilizar la muestra en este estudio y el exceso, si lo hay, se eliminó usando un explorador dental.
  2. Alinear la superficie oclusal del molar (s) de interés en paralelo con el disco de muestra de AFM de metal usando un borde recto en tantoaviones (es decir, mesial-distal y bucal-lingual).
  3. Crear un canal con un objeto contundente que rodea a los molares.
    Nota: Este espacio debe servir como un "foso" para contener el exceso de líquido y mantener la hidratación de los tejidos durante la carga en el lugar.
  4. Prepare la superficie del diente a construir para concéntricos (Figura 2B) o excéntrica (Figura 2C) la carga con un compuesto dental. Atacar la superficie del diente de interés con gel de ácido fosfórico al 35% en la superficie oclusal de 15 seg.
  5. Enjuague el reactivo de ataque a fondo con agua desionizada y secar la superficie utilizando una jeringa de aire / agua o un recipiente de aire comprimido. Con un explorador, se extendió una gota del agente de unión en las cúspides abiertas en una capa delgada. Curar el compuesto con una luz de curado dental.
    Nota: Todas las etapas que implican compuestos deberán realizarse sin la luz directa de una lámpara. Tales condiciones no deseable de acelerar el proceso de polimerización, y could impedir la colocación apropiada del compuesto. La iluminación de la habitación es aceptable.
  6. Eliminar el exceso de agente de unión de los dientes adyacentes con un fino bisturí o cuchilla de afeitar.
  7. Coloque compuesto dental capaz de fluir sobre la superficie después de la preparación de la superficie y se extendió en surcos de los molares (s) de interés utilizando un explorador dental.
  8. Exponga el material compuesto a la luz de curado dental durante 30 segundos.
  9. Moldear una acumulación oclusal de unos 3-4 mm usando un compuesto de resina dental, desde el plano oclusal del molar (s) de interés y la cura la luz durante 30 segundos.
  10. Reducir la parte superior de la acumulación de material compuesto a una superficie paralela plana para permitir un esquema de carga consistente a través de todas las muestras usando un borde recto y una pieza de mano de alta velocidad.
    Nota: Durante la prueba biomecánica, otras muestras deben almacenarse en Tris-fosfato de solución tamponada (TBS) con 50 mg / ml de penicilina, y estreptomicina 15.

3. Cargando Drift dispositivos yRigidez, Material de Propiedad Diferenciar Capability, in situ La carga del fibroso Conjunta

  1. Asegure la muestra con la acumulación de material compuesto en el yunque de la etapa de carga, y la prueba para la carga uniforme como se muestra en la Figura 2B.
  2. Coloque un papel de articular en la superficie del material compuesto seguido por la carga de la muestra a una carga finita para verificar la carga concéntrica o excéntrica (Figuras 2B y 2C).
  3. Coloque Kimwipe empapado-TBS alrededor de las muestras para asegurar la hidratación de la muestra. Hacer una depresión alrededor de la muestra y llenarlo con TBS para mantener el órgano hidratado durante la exploración.
  4. Pico de carga de entrada y la velocidad de desplazamiento en el software Deben comprimir el molar a un pico de carga deseada a una velocidad de desplazamiento después de la inmovilización del hemimandíbula.
    Nota: las lecturas típicas deben incluir una carga reaccionaria como el material se comprime en el tiempo (sensibilidad del transductor de carga = 0,1N). Desde los tiempos de carga y el tiempo de desplazamiento, una curva de carga-desplazamiento para el material comprimido se debe obtener 16-18. Utilizando los datos recogidos de los ciclos de carga, diversas propiedades de la articulación también pueden ser determinados. La rigidez de la articulación se debe calcular tomando la pendiente de la porción lineal (aproximadamente el último 30% de los datos) de la fase de carga de la carga frente a la curva de desplazamiento 19.

4. La tinción de los tejidos blandos, el PDL, con ácido fosfotúngstico (PTA)

Nota: Para mejorar el contraste de atenuación de los rayos X, la PDL debe ser teñido con solución de PTA 5% 20.

  1. Solución de tinción de relleno de PTA en una ampolla portadora de vidrio 1,8 ml limpio y colocar ampolla portadora cargado en la jeringa.
  2. Inyectar la solución lentamente (5 min / ampolla portadora) en el PDL-espacio de los dientes adyacentes para evitar daños estructurales a los tejidos periodontales que rodean molar de interés.
    Nota: Los pasos anteriores deben abe repite hasta aproximadamente 5 carpules completos (9 ml) de solución se inyecta y se deja fluir dentro de los tejidos circundantes. Los especímenes prepped también pueden ser remojados durante la noche en la solución de PTA restantes (8 h).

5. Configuración de exploración μ-XCT recomendados

Realice m-XCT con los siguientes ajustes de escaneo:

Aumento Objetivo 4X, 10X
1800 imágenes
Tensión del tubo de rayos X 75 kVp (50 kVp para muestras de PTA manchado)
8 W
Tiempo de Exposición ~ 8-25 seg *
~ 4 m (objetivo 4X), ~ 2 micras (objetivo 10X) **

* Tiempo de exposición puede variar en función de la geometría y la densidad óptica de la muestra y VO tubo de rayos Xltaje.
** Píxeles de resolución real será exactamente el mismo en base a la configuración de la fuente, la muestra, y el detector.

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Representative Results

Estimación de la carga de dispositivo "reacción violenta", "retroceso", la rigidez y la deriva del sistema bajo una carga constante

Backlash: Entre raciones de carga y descarga del ciclo, no existe una pausa de 3 segundos durante la cual marchas atrás en el motor antes de la verdadera descarga comienza, esto es, como la muestra se separa de la mandíbula superior (Figura 3). Este periodo se conoce como una reacción en el sistema, lo que representa un segmento de tiempo cuando el sistema está tratando de pasar de cierre a la apertura de las mordazas. Cabe señalar que todos los ciclos de carga contendrán una respuesta reacción violenta similar, independientemente de la muestra o condiciones de carga (Figura 4). Una carga normal frente a la curva de tiempo obtenida utilizando un cuerpo rígido se muestra en las figuras 3A y 3B destacando la carga, descarga, y las regiones de holgura a las dos L diferentejuramentos de 6 N y 16 N. Una carga normal frente a la curva de desplazamiento destacando los tres segmentos correspondientes se muestran en la Figura 3C.

El rechazo: Si bien todos los períodos de holgura se producen dentro del mismo marco de tiempo sec 3, la respuesta reaccionaria y, como resultado de la forma de la región contragolpe podría cambiar dependiendo de la muestra. Al poner a prueba el sistema con un cuerpo rígido (Figura 3), se observó la caída más pronunciada y más alto en la carga reaccionaria si se compara con el complejo hueso-PDL-diente y polydimethlysiloxane (PDMS). Sin embargo, la articulación fibrosa ilustra una caída significativa en la carga reaccionaria durante la fase de reacción en comparación con PDMS. PDMS (Figura 4) especímenes parecía tener la menor caída (sin diferencia entre las 01:05 y 01:25 densidades de reticulante - la Figura 4A).

Rigidez: La rigidez del dispositivo de carga cuando se prueba AGainst cuerpo rígido fue significativamente mayor que la de las muestras complejas y PDMS. Estos datos validan la eficacia del dispositivo de carga para resaltar los cambios en la biomecánica del complejo de hueso-PDL-diente y materiales más blandos (Figura 4B).

Visualización de estructuras de tejidos blandos y duros dentro del complejo del hueso-PDL-diente intacto usando μ-XCT: En una articulación fibrosa sin mancha, pero hidratado, se pusieron de relieve las características de atenuación de los tejidos duros, incluyendo el hueso alveolar, el cemento, esmalte y dentina (Figuras 5A y 5B). Sin embargo, los espacios que contenían tejidos orgánicos predominantemente blandos eran transparentes a los rayos X, dejando el PDL-espacio relativamente "vacía" (negro). Los especímenes tratados con ATP mostraron un mayor contraste en el PDL-espacio, destacando así las características representativas de la PDL y los tejidos gingivales (Figuras 5C-F). El escaneo a una magnífica superioración reveló PDL como una red fibrosa entre el diente y el hueso.

Fuerza reaccionaria contra el desplazamiento: respuesta biomecánica de la articulación fibrosa en la carga durante situ: En comparación con la carga concéntrica, patrón de carga excéntrica en un espécimen similar mostró aumento de los desplazamientos de los dientes dentro de la articulación para una carga reaccionaria dado (Figura 6A). Sin embargo, para las articulaciones fibrosos tratados con ATP no se observaron diferencias significativas en la biomecánica en general, independientemente de la condición de carga (Figura 6B). En el sistema no tratada pero descentrada, el aumento del desplazamiento de la raíz en el alvéolo se puede correlacionar con menor rigidez como se ve en las curvas de carga-desplazamiento (Figura 6C). Si bien puede haber una variación natural, dando lugar a una serie de respuestas biomecánicas de las articulaciones fibrosas recolectadas dentro de los grupos de control, PTA-tratada fibrosaarticulaciones mostraron una mayor rigidez y menos desplazados dentro de la cuenca en comparación con sus homólogos no tratados durante un pico de carga reaccionaria dada. Sin embargo, no hubo ningún cambio detectable en la forma o la duración de la fase de reacción del ciclo de carga entre muestras tratadas y no tratadas de la PTA.

Configuración espacial tridimensional y morfometría: mapeo de la configuración ósea de dientes en condiciones de carga mediante μ-XCT: Rebanadas virtuales tomados de tomografías fueron comparados para ilustrar 1) el movimiento del diente en el zócalo, 2) la asociación de dientes de hueso tanto en 2D y 3D , 3) el grado de movimiento debido al excéntrico en comparación con la carga concéntrica. Movimiento dentario fue destacado por la superposición de rebanadas virtuales similares en vacío y en carga y generación de películas gif. Mientras que los dos regímenes de carga causó el diente para desplazar verticalmente dentro de la articulación, una configuración de carga excéntrica (Figuras 7B y 7C) cAUSED un efecto de rotación adicional del diente con las raíces de rotación en sentido distal que resulta en la disminución de espacio PDL a lo largo de los lados distales de las raíces en comparación con las exploraciones concéntricos de carga (Figuras 7 y 8). Aunque la PDL PTA-manchado fue más atenuante (Figura 5), el movimiento del diente dentro de la ranura alveolar en las articulaciones de la PTA tratado fue menos pronunciado y se correlacionó con los datos biomecánicos (Figuras 6B y 6C).

Figura 1
Figura 1. Un 15 Ilustración adaptada de los lugares clave en la preparación del hemimandíbula para las pruebas de biomecánica. Muestra dentro del recuadro es un hemimandíbula.


Figura 2. Configuración de una unidad de carga en situ y sistema de μ-XCT. (A) Una imagen de un dispositivo en la carga in situ en un soporte personalizado dentro de la micro-de rayos X de tomografía computarizada (μ-XCT) unidad. Concéntrico (B) y excéntricas condiciones (C) de carga determinados por el tipo de contacto entre el yunque y la superficie compuesta se ilustran en la forma de esquemas, y las configuraciones experimentales correspondientes (región corresponde a que resaltada por el recuadro blanco en (A ) respectivamente. marcas de papel de articular confirmar área de contacto inicial entre el yunque y el composite dental. Haz clic aquí para ver la imagen más grande. </ A>

Figura 3
Figura 3. Curva de tiempo de carga Representante que ilustra sistema de "reacción". De carga en función del tiempo utilizando un cuerpo rígido ilustra período de reacción como un evento entre el cierre y la apertura de los yunques. La región verde indica período de carga donde yunques están acercando (región verde) para cargar un cuerpo rígido a 15 N (A) y 5 N (B, inserción). La región azul indica un período de descarga, cuando los yunques están retrayendo el uno del otro. Sin embargo, debido a la falta de respuesta del motor instantáneo debido al tiempo empleado por la reversión de cambios, se encuentra un período posterior de latigazo ~ 3 seg. Durante este tiempo la carga disminuye aproximadamente 2 N antes de que ocurra cierto descarga. Carga y descarga de eventos pueden estar relacionados con cargar vs gráfico de desplazamientos (C), que muestra un desplazamiento mínimo durante el periodo de reacción. Haz clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 4
Figura 4. Curvas de carga-desplazamiento representativos y efecto de "retroceso" utilizando PDMS curvas inferiores:. Relaciones en tiempo de carga entre PDMS de la disminución de monómero a las relaciones de reticulante revelan la capacidad de la unidad de carga en situ para detectar diferencias en las propiedades del material. Top curvas, la izquierda y la derecha ilustran el cambio en la reacción del sistema debido a la recuperación de materiales. La izquierda y la derecha en comparación ilustran el mismo efecto, lo que indica que la diferencia de la recuperación 01:25-01:05 PDMS es mínima o no se encuentra dentro dellímites de detección del dispositivo de carga. B) curvas de carga-desplazamiento para diferentes materiales incluyendo el aluminio rígido cuerpo, espécimen experimentales, y los 3 PDMS especímenes. Es la pendiente de la parte lineal del 30% de la curva de carga que se utilizó para calcular la rigidez del material. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

La figura 5
Figura 5. Secciones virtuales de rayos X de los segundos molares mandibulares teñidas para la estructura mejora PDL. (A, B) los valores de escala de grises en los molares tratados indican atenuación de los rayos X de varios tejidos, incluyendo las regiones más suaves dentro del complejo. Sin embargo, los tejidos mineralizada como PDL no se destacaron por su minimal atenuar características de la energía de rayos X a 75 kVp. (CF) Siguiendo PTA tinción de las características de atenuación de la PDL más suave se mejoraron y detalles dentro del PDL se visualizaron utilizando un microscopio de rayos-X. Por lo tanto, sagital 2D virtual (ampliación C-4X, de ampliación E-10X) y transversales (magnificación D-4X, magnificación F-10X) secciones revelaron orientación de las fibras PDL (flechas amarillas). La luz de los vasos sanguíneos dentro de los espacios endosteal (flechas de color naranja) y el PDL (flechas blancas) aparecen estructuras circulares oscuras, mientras que el espacio pulpar no se tiñe. Los artefactos creados durante el procedimiento de tinción se observó también (D, asteriscos rojos). Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

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Figura 6. Muestras cargadas concéntrica y excéntrica. Superior (A) y paneles de fondo (B) ilustran películas de tiempo rápidas de la relación diente-hueso sin carga y cuando se carga a 15 N, de forma concéntrica y excéntrica, respectivamente. Los paneles superior e inferior ilustran asociación hueso-diente cuando (B) condiciones sin tratar (A) y manchados. El panel central (C) ilustra diferentes comportamientos carga-desplazamiento entre excéntrica y concéntrica (curvas de la izquierda) complejos cargados, y teñidas y sin teñir (curva a la derecha) complejos. Haz clic aquí para ver la imagen más grande.

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Figura 7. Sagital sección del 2 º molar ilustra la asociación del diente con el alveolo cuando se carga concéntrica (A) y la excéntrica (B). Mayoría de compresión fue visto dentro interradicular (cabezas de flecha) y apical (flechas) regiones. Cuando se compara con secciones virtuales del diente en la carga excéntrica (B), el componente de rotación adicional de las causas de movimiento de dientes aumentó de compresión hacia el lado distal de la raíz mesial. Secciones transversales superpuestos revelaron traslación distal y el movimiento hacia la derecha de rotación del diente (raíces verdes) en relación con un diente cargada concéntricamente (gris). Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 8 Figura 8. Películas 3D reconstruido revelan una PDL-espacio disminuido en el lado distal de la raíz cuando excéntricamente cargado (E) en comparación con un complejo (D) cargado concéntricamente. Haga clic aquí para ver la carga excéntrica y haga clic aquí para ver la carga concéntrica.

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Discussion

El primer paso en el establecimiento de este protocolo implicó la evaluación de la rigidez del bastidor de carga mediante el uso de un cuerpo rígido. Basándose en los resultados, la rigidez fue significativamente mayor que permite el uso del dispositivo de carga para la prueba adicional de muestras con valores de rigidez significativamente más bajos. El segundo paso de relieve la capacidad del instrumento para distinguir diferentes valores de rigidez mediante el uso de dos fases de la curva de carga-descarga generados mediante el uso de un cuerpo rígido, materiales de PDMS de diferentes densidades de reticulación, y las articulaciones fibrosas. La rigidez de la fase de carga y retroceso durante la fase de reacción se utilizaron para identificar la resistencia del material a la carga y recuperación del material después de la descarga (Figuras 3 y 4). Las tercera y cuarta etapas del protocolo eran para correlacionar los cambios en las curvas de carga-desplazamiento obtenidos a partir del dispositivo de carga para la formación de imágenes in situ en hecho con Tl uso de los rayos X (Figura 5). Se trataba de la carga de las articulaciones y la obtención de tomografías sin carga y carga, en condiciones concéntricas y excéntricas, respectivamente. El protocolo demostró que al cambiar las diferencias eje de carga en los niveles de PDL-compresión puede ser resaltado (Figuras 6 y 7). En esta discusión vamos a primera resaltar las características y desafíos que deben ser entendidos y se reunieron antes de la prueba biomecánica del complejo hueso-PDL-diente adecuadamente los instrumentos.

Desafíos de la configuración experimental

La acumulación de compuesto: Si bien el protocolo en sí es relativamente sencillo, hay varios pasos que se deben hacer con mucho cuidado. Uno de los mayores retos fue asegurar que el exceso de material compuesto no hizo desbordamiento de los dientes adyacentes, que luego enlazar mecánicamente varios dientes y tergiversar la meca conjuntaics de un solo diente. Desde la destreza manual significativa y conocimiento de las herramientas dentales demostraron ser útiles para este procedimiento, la preparación de muestras para la carga se llevó a cabo principalmente por los estudiantes de odontología y los dentistas con la ayuda de aumento óptico.

Esquema de carga consistente: Otro detalle importante para las pruebas de biomecánica era asegurar un esquema de carga constante. El área de contacto entre la mordaza del dispositivo de carga in situ en y superficie opuesta del material compuesto demostró ser muy crucial para el experimento. Esto es debido a la mecánica de la articulación fibrosa pueden cambiar como resultado de la zona de contacto, que se simuló en este estudio mediante el uso de cargas concéntricas y excéntricas (desequilibradas). El escenario presentado en este estudio imita los posibles cambios en la oclusión de los dientes de mamíferos, lo que podría resultar en un cambio en el movimiento del diente dentro de la cavidad alveolar (Figura 5). Si bien se entiende THAt el mecanismo de la prueba propuesta no imita ciclo de masticación fisiológica, se presenta como un método de prueba estándar. Mediante la creación de una acumulación de material compuesto con una superficie paralela a la mandíbula de la etapa de carga, hemos sido capaces de generar un patrón de carga constante. Este método de prueba estándar se puede utilizar para identificar cambios en la biomecánica de los complejos de hueso-PDL-diente de varios grupos experimentales.

La sensibilidad del dispositivo de carga situ en: El protocolo experimental se describen métodos para validar los límites de detección del dispositivo de carga in situ utilizando tres muestras diferentes, de los cuales dos pueden ser considerados como materiales estándar. La rigidez del bastidor de carga cuando se probó con el aluminio fue significativamente mayor con la contribución insignificante a la comportamiento mecánico observado de varios especímenes de PDMS, y la respuesta biomecánica de una articulación fibrosa. Si bien todas las muestras analizadas tenían un período de reacción~ 3 seg, la forma de la parte de reacción varió ligeramente (Figura 4A) con el tipo de muestra. Especímenes rígidos exhibieron una marcada disminución de la carga reaccionaria (figuras 3A y 4A) mientras que los especímenes más suaves no mostraron una disminución aguda (Figura 4). Se puede argumentar que la diferencia en el comportamiento de reacción se atribuye a la capacidad de la muestra para hacer retroceder en los engranajes durante la inversión de marcha. El efecto de empuje en los engranajes podría manifestarse en una caída menor en el pico de respuesta reaccionaria del material como la mandíbula comienza a alejarse de la muestra. Por lo tanto, el segmento de reacción puede ser explotado para obtener conocimientos a la propiedad material. Valores de rigidez de PDMS calculados a partir de curvas de desplazamiento de carga estaban de acuerdo con valores de la literatura 22, y el rango de rigidez para el PDMS reticulados estaba dentro del rango del complejo de hueso-PDL-diente. Por lo tanto, la carga en situ device es adecuado para medir el desplazamiento y la respuesta reaccionaria del diente, ya que se comprime en el alvéolo. La respuesta reaccionaria puede ser de componentes más blandos y / o duros. El predominio del componente más blando sobre el más duro puede ser identificado mediante la carga de forma incremental y de formación de imágenes, seguido por digitalmente correlacionar la sin carga a condiciones de carga para identificar regiones de deformación-dominado dentro del complejo de hueso-PDL-diente 13.

Componentes principales de la masticación es en la dirección axial: Similar a los seres humanos, el ciclo de masticación de las ratas implica el libre movimiento de la mandíbula para masticar los alimentos 23, 24. Si bien este movimiento se ha asignado a incluir muchas direcciones diferentes, tales como los movimientos laterales, se cree que el componente principal de la carga a ser en la dirección axial 23. Por lo tanto, el simulado en cargas situ en dirección axial fueron colocados ya sea concéntricaLY o excéntrica (Figura 2).

Factores experimentales que podrían afectar los resultados relacionados con la biomecánica nivel de órganos: La ventaja de acoplamiento de la microscopía de rayos X con en la carga in situ es que la curva de carga-desplazamiento se puede correlacionar a la asociación espacial del diente con el alvéolo, forma de la raíz y la superficie alveolar, y el estrechamiento y ensanchamiento de la PDL-espacio bajo carga. La correlación y evaluación complementaria ofrece un enfoque holístico para determinar la biomecánica de órganos. En el pasado, sólo se postuló que la mecánica de un órgano y / o tejidos pueden desencadenar el comportamiento de carga-desplazamiento. Este protocolo se ilustra que la asociación de los miembros móviles cuando bajo carga también puede ser una característica definitoria de la rigidez observada. Cualquier cambio observado en las primeras 5-8 N se piensa para ser aportado por la calidad de la PDL un cambio conformacional inicial dentro delcolágeno y el intercambio de fluido intersticial con la resistencia mínima para cargar; esta región ha sido referido como la región de "uncrimping" 26. Cargas superiores a 7 N podrían ser presentadas por diente, hueso, los efectos de endurecimiento por deformación del ligamento periodontal, y las interfaces de fijación de los tejidos. Una vez que el PDL-espacio se reduce al mínimo y, como la PDL se somete a endurecimiento por deformación, interacciones de tejido duro entre el diente y la cavidad ósea surgen en la región interradicular que resulta en una carga más pronunciada al desplazamiento pendiente. Además de la recuperación de materiales, la reacción del dispositivo de carga puede ser explotado para investigar la naturaleza viscoelástica de la PDL sin alterar la articulación como se hizo en otros estudios 16, 25.

Las regiones generales dentro de las curvas de desplazamiento de carga se correlacionan con algunos eventos dentro de la articulación. Los acontecimientos mencionados anteriormente son los denominadores comunes entre los dos regímenes de carga. Sin embargo, las diferenciasentre los perfiles de carga-desplazamiento concéntricas y excéntricas y tomografías correspondientes destacado la influencia de la dirección de la carga sobre la biomecánica generales de órganos. La fuente principal de estas diferencias fue la introducción de una rotación de los dientes, ya que desplaza dentro de la articulación, causando la compresión de los espacios PDL en áreas específicas. Se entiende que las cargas fisiológicas normales se aplican sobre el diente en varias direcciones, incluyendo los que introducen el movimiento del diente de rotación. Sin embargo, se recomienda que un esquema de carga concéntrica ser utilizado como un esquema de carga estándar, debido a la dificultad de aplicar una carga excéntrica "estándar" a través de todos los especímenes. Como este protocolo tal experimental se puede utilizar para diferenciar diferencias biomecánicas entre los sistemas adaptados y no adaptada.

Uno de los inconvenientes de la utilización de rayos X de energía más altos es que están mínimamente absorbidos por los tejidos más suaves y producen contraste inadecuada. El PDL es transparetdp a los rayos X y, como resultado necesario el uso de agentes de contraste. PTA aumenta el contraste de los tejidos blandos mediante tinción directa 27-29 y permitir la visualización mediante el uso de rayos-X. Por lo tanto, mediante el uso de los agentes de contraste, deformaciones visibles dentro de las regiones de tejidos blandos de colores entre tomografías cargadas y descargadas se observó; se recomienda sin embargo un aumento mayor (al menos 10 veces) para el análisis (datos no mostrados). Una limitación del protocolo de tinción incluyó el uso de etanol, un fijador suave 29 que podría haber alterado la rigidez de la PDL y la mecánica general de las articulaciones que llevan a conclusiones erróneas.

CONCLUSIONES

Este estudio pone de relieve un protocolo de pruebas novela para analizar la respuesta biomecánica de un hueso-PDL-diente articulación fibrosa intacto, pero bajo condiciones ex vivo. El método experimental descrito incluyendo análisis a posteriori de los datos se puede utilizar para medir los efectos de experlas variables imental (es decir, la enfermedad, factores de crecimiento, edad, y moléculas terapéuticas) en la mecánica de la articulación fibrosa del hueso-PDL-diente. Además, los resultados de estos experimentos servirán de base para que las relaciones entre las variaciones en el nivel de macroescala de órganos pueden estar relacionados con cambios específicos en los planos tisulares y celulares. Limitaciones del protocolo incluyen, formación de imágenes in vivo bajo condiciones ex, el uso de agentes de contraste, y la pérdida en la precisión espacial entre las superficies del diente y alveolo debido a la relajación de los tejidos durante tiempos de adquisición más largos necesarios para la generación de tomografía.

MATERIAL COMPLEMENTARIO

Protocolo para las pruebas de biomecánica de los molares maxilares dentro:

1. Si maxilares fueron a ensayar, retire el maxilar superior de cada cráneo de la rata con la cara ventral (techo de la boca) hacia arriba. Sever el músculo y los tejidos conectivos del ligamento dela cara lateral del cráneo cortando a través del vestíbulo (de bolsillo entre la encía y la mejilla).

2. Palpar y fracturar el proceso cigomático del hueso maxilar del cráneo y cortar el arco cigomático del hueso maxilar.

3. Cortar el cráneo hacia abajo con un par de tijeras de disección a granel a través del cerebro a partir de la paladar blando. Aislar la parte anterior del cráneo y el cuero cabelludo pelar lejos de la cara dorsal (parte superior) del cráneo.

4. Con un par de tijeras de disección finas, separe la derecha y la izquierda hemimaxillae al hacer una incisión que sigue una línea recta a través del centro del paladar duro y para la región interproximal entre los incisivos. Asegúrese de que la profundidad del corte es baja - sólo lo suficientemente profundo como para perforar el paladar duro.

5. Aislar el hemimaxillae haciendo perpendiculares (al eje largo del cráneo) incisionesanterior al primer molar y posterior a la tercera molar. 1) No corte demasiado cerca de los primeros y terceros molares para esto podría alterar la estructura de la raíz; 2) No arrancará el tejido gingival que rodea los tres molares. Separe el hemimaxillae del cráneo cortando el hueso delgado maxilar superior a cada hemimaxilar. Retire cualquier tejido y huesudos espículas exceso.

Validación del dispositivo de pruebas mecánicas:

Con el fin de determinar la rigidez del bastidor de carga y la deriva de los transductores de carga / desplazamiento, utilizar un cuerpo rígido, tal como de aluminio con un módulo elástico, con mucho, mayor que el de las muestras experimentales.

Para determinar si el instrumento es capaz de diferenciar diferentes valores de rigidez representante de elementos más blandos, fabricar PDMS bloques con diferentes densidades de reticulación (01:05, 01:10, una y veinticinco minutos agente de reticulación a la base en peso) y cargar éstos usando el mismoen dispositivo de carga in situ.

Modo de contraste de fase para la mejora del contraste de los elementos más suaves: Mejora de contraste de la PDL se puede hacer mediante la explotación del modo de contraste de fase de el escáner. Fundamentalmente, contraste de fase explota las capacidades de detección de escáner de un cambio en la fase en los bordes de los tejidos, y proporciona mayor detalle estructural. Como resultado de ello, en este estudio, las lagunas de cementocyte-lagunas de osteocitos y-lagunas apareció como porosidades dentro de los respectivos tejidos mineralizados. Estas estructuras fueron detectados previamente en un análisis estándar en el modo de absorción. Las tomografías adquirió bajo el modo de transmisión permitida para la visualización de las estructuras dentro del espacio negativo, a saber, el PDL-espacio y espacios endoóseos incluyendo el sistema de canales de Havers (para el modelo 3D véase la figura S1). Estructuras adicionales dentro de la PDL-espacio pueden ser visualizados también, tales como la vasculatura que es continua con la que iN hueso.

Cargas equilibradas para la adquisición de tomografía y la deriva del sistema:. Esta sección puede ser mejor explicado por referencia a Suplementario Figura 2 Figura S2 demuestra la necesidad de equilibrar los picos de carga antes de la adquisición de las tomografías. Cargas máximas invariablemente decaen a una magnitud inferior y el sistema deben equilibrarse por lo menos durante una hora antes de que se adquirió una tomografía 6-8 horas. Cabe señalar que la tomografía adquirido no es representativa de la asociación de hueso-diente a la carga máxima, pero con una carga de 2-3 N más baja que la carga de pico. Además, la deriva sistema de medida identificado utilizando un trozo de aluminio rígido se encontró que cambiar con tasa de desplazamiento y / o cargas de pico (Figura S2B y S2C). Valores de deriva aproximados oscilaron entre + 1 N / hora.

Después de las pruebas mecánicas, una tomografía de la articulación fibrosa fue tomada sin carga, y para una carga pico a una velocidad de desplazamiento deseada. Antes de la adquisición de un tomograma en condiciones de carga, se debe tener cuidado para que el sistema llegue a un equilibrio (estabilidad) después de lo cual la exploración debe proceder. Condiciones similares se repitieron para los complejos manchadas cargados excéntricamente y PTA. Desde el tomografías, rebanadas virtuales se compararon sin carga a condiciones de carga con el fin de identificar la asociación de dientes de hueso tanto en dos y tres dimensiones.

Adicional Figura 1. Reconstrucción 3D del espacio negativo usando microscopía de contraste de fase mejorada de rayos-X. En el modo de aumento de contraste de fase del desplazamiento de fase que se produce en los bordes de los tejidos fue explotado para resaltar los vasos sanguíneos dentro de la PDL. Modo de absorción específica (izquierda) destacó tejidos mineralizados dentro del campo de visión, mientras que el modo de transmisión (derecha) destacó los vasos sanguíneos dentro del espacio PDL así los espacios endosteal.

tienda "> Figura Suplementario 2. Descomposición de fuerzas reaccionarias pico a un estado de equilibrio antes de la CT-escaneo. curvas indican diferentes tasas de descomposición de respuesta reaccionaria de una articulación fibrosa (panel superior), y un cuerpo rígido (panel inferior).

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgements

Los autores reconocen el apoyo financiero del NIH / NIDCR R00DE018212 (SPH), NIH/NIDCR-R01DE022032 (SPH), NIH / NIDCR T32 DE07306 (AJ, JDL), NIH / CNRR S10RR026645, (SPH) y los Departamentos de Ciencias dentales preventivos y de restauración y Ciencias orofaciales, UCSF. Además, los autores reconocen Xradia Graduate Fellowship (AJ), Xradia Inc., Pleasanton, CA.

Los autores agradecen a la Dra. Kathryn Grandfield, UCSF por su ayuda en el procesamiento posterior de los datos, los Dres. Stephen Weiner y Gili Naveh, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel, el Dr. Ron Shahar, de la Universidad Hebrea de Jerusalén, Israel por sus profundas discusiones específicas para el dispositivo de carga en situ. Los autores también desean agradecer Biomateriales e Instalaciones Bioingeniería MicroCT Imaging en la UCSF para el uso de Micro XCT y el dispositivo de carga en situ.

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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