In situ carico di compressione e Correlativo imaging non invasiva del Bone-parodontale legamento-dente Fibrosa comune

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

In questo studio, sarà discusso l'uso di un dispositivo in situ loading accoppiato con tomografia micro-computerizzata a raggi X per la biomeccanica articolare fibrosi. Letture sperimentali identificabili con una variazione complessiva delle biomeccanica articolare saranno: 1) forza reazionaria contro lo spostamento, vale a dire lo spostamento del dente nella presa alveolare e la sua risposta reazionaria a carico, 2) tridimensionale (3D) configurazione spaziale e morfometria, cioè geometrico rapporto del dente con la presa alveolare, e 3) variazioni letture 1 e 2 a causa di un cambiamento di asse, cioè carichi concentrici o eccentrici.

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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

Questo studio dimostra un protocollo di test nuovi biomeccanica. Il vantaggio di questo protocollo prevede l'uso di un dispositivo in situ carico accoppiato ad un microscopio a raggi X ad alta risoluzione, permettendo la visualizzazione di elementi strutturali interne sotto carichi fisiologici simulati e bagnata. I campioni sperimentali comprenderanno legamento osso parodontale integro (PDL)-dente articolazioni fibrose. I risultati illustrano tre caratteristiche importanti del protocollo in quanto possono essere applicate alla biomeccanica livello di organi: 1) forza reazionaria vs spostamento: lo spostamento del dente nella presa alveolare e la sua risposta reazionaria a carico, 2) tridimensionale (3D) configurazione spaziale e morfometria: relazione geometrica del dente con la presa alveolare, e 3) variazioni di letture 1 e 2, a causa di un cambiamento di asse, cioè dal concentrico a carichi eccentrici. Efficacia del protocollo proposto sarà valutata mediante accoppiamento meccanico teletture Sting morfometria 3D e biomeccanica complessive del giunto. Inoltre, questa tecnica risalto sulla necessità di equilibrare condizioni sperimentali, carichi specificamente reazionarie precedentemente all'acquisizione tomogrammi di articolazioni fibrose. Va osservato che il protocollo proposto è limitato al test campioni ex vivo sotto condizioni, e che l'uso di agenti di contrasto per visualizzarne la risposta meccanica dei tessuti molli potrebbe portare a conclusioni errate circa tessuto e livello organo biomeccanica.

Introduction

Diversi metodi sperimentali continuano ad essere utilizzati per studiare la biomeccanica delle articolazioni diartrodiali e fibrosi. Metodi specifici per la biomeccanica organo dente includono l'uso di estensimetri 1-3, metodi fotoelasticità 4, 5, Moiré interferometria 6, 7, elettronico modello speckle interferometria 8, e la correlazione di immagini digitali (DIC) 9-14. In questo studio, l'approccio innovativo comprende non invasivo utilizzando raggi X per esporre le strutture interne di un giunto fibroso (tessuti mineralizzati e le loro interfacce costituiti da zone più morbide, e interfacciamento tessuti come legamenti) con carichi equivalenti a condizioni in vivo. Verrà utilizzato un dispositivo situ loading accoppiato ad un microscopio micro-X-ray. Il carico-tempo e le curve carico-spostamento saranno raccolte come il molare di interesse all'interno di un ratto emi-mandibola appena raccolto viene caricato. Il main obiettivo dell'approccio presentato in questo studio è sottolineare l'effetto della morfologia tridimensionale del dente-osso dal confronto a: 1) vuoto e quando caricato, e quando 2) concentricamente ed eccentricamente caricati. Eliminando la necessità di esemplari di taglio, e per eseguire esperimenti sugli interi organi intatti in condizioni di bagnato consentirà la massima conservazione dello stato di stress in 3D. Si apre una nuova area di ricerca nella comprensione dei processi dinamici del complesso sotto diversi scenari di carico.

In questo studio, i metodi di biomeccanica test PDL all'interno di un giunto fibroso intatto di un ratto Sprague Dawley, una joint considerato come un ottimo sistema modello bioingegneria saranno dettagliati. Gli esperimenti comprenderanno la simulazione dei carichi della masticazione in condizioni idratati, al fine di sottolineare tre importanti caratteristiche del giunto come si riferiscono alla biomeccanica livello di organi. I tre punti comprendono: 1) forza reazionaria vs spostamento:spostamento dente all'interno della presa alveolare e la sua risposta reazionaria al carico, 2) tridimensionale (3D) configurazione spaziale e morfometria: relazione geometrica del dente con la presa alveolare, e 3) variazioni letture 1 e 2, a causa di un cambiamento nella asse di carico, cioè da concentrica a carichi eccentrici. Le tre letture fondamentali della tecnica proposta può essere applicata per indagare la natura adattiva giunti nei vertebrati a causa di cambiamenti di esigenze funzionali, e / o malattia. Le variazioni nelle previsioni di cui sopra, in particolare la correlazione tra i carichi reazionari con spostamento, e la conseguente carico di tempo e di carico-spostamento curve reazionari a differenti tassi di carico possono essere applicati per evidenziare i cambiamenti globali nel biomeccanica articolare. Efficacia del protocollo proposto sarà valutata mediante accoppiamento letture prove meccaniche di morfometria 3D e biomeccanica complessive del giunto.

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Protocol

Stabulazione degli animali e l'eutanasia: Tutti gli animali utilizzati in questa manifestazione sono stati alloggiati in condizioni esenti da organismi patogeni in accordo con le linee guida della cura degli animali e uso Comitato Istituzionale (IACUC) e l'Istituto Nazionale della Salute (NIH).

Fornire gli animali con lo standard hard-pellet ratto chow e ad acqua lib. Euthanize animali attraverso un metodo in due fasi di asfissia anidride carbonica, toracotomia bilaterale secondo il protocollo standard di UCSF approvato dalla IACUC. Eseguire test biomeccanico entro 24 ore di sacrificio di animali per evitare il degrado del tessuto.

1. Preparazione e dissezione di un ratto mandibola o mascella

  1. Rimuovere mandibole ratto da recidere delicatamente allegati tessuto e tessuto muscolare membranose preservando tutta la mandibola, compreso il processo coronoideo e il processo condilare (Figura 1) 15.
  2. Hemimandibles separate in autoefully taglio del tessuto fibroso di sinfisi mandibolare con una lama di bisturi.
    Nota: I processi coronarici e condilari e ramo della mandibola (figura 1) devono essere rimossi se fisicamente ostacolano il test biomeccanico del molare 2 °.
  3. Tagliare gli incisivi senza esporre la camera pulpare per non ostacolare il caricamento del molare.

2. Preparazione del campione per in situ compressione in fase di caricamento (figura 2)

  1. Immobilizzare il campione su uno stub acciaio utilizzando un materiale che è significativamente più rigido del campione sperimentali prima di caricare in un dispositivo in situ di carico (Figura 2A).
    Nota: polimetilmetacrilato (PMMA) è stato usato per immobilizzare il campione in questo studio e eventuale eccedenza, è stato rimosso utilizzando un esploratore dentale.
  2. Allineare la superficie occlusale del molare (s) di interesse parallelo con il disco di preparato AFM metallo con un regolo in entrambipiani (cioè mesiale-distale e vestibolo-linguale).
  3. Creare una depressione con un corpo contundente che circonda i molari.
    Nota: Questo spazio dovrebbe servire come un "fossato" per contenere il liquido in eccesso e mantenere l'idratazione dei tessuti durante il caricamento in situ.
  4. Preparare la superficie del dente per costruire concentrici (Figura 2B) o eccentrico (Fig. 2C) carico con un composito dentale. Incidere la superficie del dente di interesse con il 35% gel di acido fosforico sulla superficie occlusale per 15 sec.
  5. Sciacquare il mordenzante accuratamente con acqua deionizzata e asciugare la superficie utilizzando una siringa ad aria / acqua o una bomboletta ad aria compressa. Con un esploratore, diffondere una goccia di collante in cuspidi aperte in uno strato sottile. Curare il composito con una luce di polimerizzazione dentale.
    Nota: Tutti i passi che coinvolgono i compositi devono essere eseguiti senza luce diretta di una lampada. Tali condizioni sarebbe indesiderabile accelerare il processo di polimerizzazione, e could impedire il corretto posizionamento del composito. L'illuminazione è accettabile.
  6. Rimuovere il collante in eccesso dai denti adiacenti con un bel bisturi o lametta.
  7. Posizionare fluido composito dentale sulla superficie a seguito della preparazione della superficie e diffondere nelle scanalature del molare (s) di interesse utilizzando un esploratore dentale.
  8. Esporre il composito alla luce polimerizzazione dentale per 30 sec.
  9. Modellare un accumulo occlusale di circa 3-4 mm utilizzando un composito di resina dentale, dal piano occlusale del molare (s) di interesse e polimerizzare per 30 sec.
  10. Ridurre all'inizio della formazione di composito a una superficie piana parallela per consentire un regime loading coerente in tutti i campioni utilizzando un regolo e un manipolo ad alta velocità.
    Nota: Durante il test biomeccanico, altri campioni devono essere conservati in tris-fosfato soluzione tamponata (TBS) con 50 mg / ml di penicillina e la streptomicina 15.

3. Caricamento Drift dispositivo eRigidità, Proprietà del materiale Differenziare Capability, in situ carico del comune Fibrosa

  1. Fissare il campione con l'accumulo composito sull'incudine della fase di carico e di test per il caricamento uniforme come illustrato nella Figura 2B.
  2. Inserire un carta dell'articolazione sulla superficie del composito seguita caricando il campione ad un carico finito per controllare carico concentrico o eccentrico (Figure 2B e 2C).
  3. Posizionare Kimwipe TBS-imbevuto intorno al provino per garantire esemplare idratazione. Effettuare una depressione intorno al campione e riempirlo con TBS per mantenere l'organo idratato durante l'imaging.
  4. Carico massimo di ingresso e velocità di spostamento nel software Deben per comprimere il molare di un carico di picco desiderato ad un tasso di spostamento a seguito immobilizzazione del emimandibola.
    Nota: letture tipiche dovrebbero includere un carico reazionaria come il materiale è compresso nel tempo (sensibilità dinamometri = 0.1N). Dal tempo di caricamento e di spostamento-tempo, una curva carico-spostamento per il materiale compresso deve essere ottenuta 16-18. Utilizzando i dati raccolti dai cicli di carico, varie proprietà del comune può anche essere determinate. La rigidità del giunto deve essere calcolato dalla pendenza della porzione lineare (ultime 30% dei dati) della fase di caricamento del carico curva della cilindrata 19.

4. La colorazione dei tessuti molli, il Pdl, con acido fosfotungstico (PTA)

Nota: Per aumentare il contrasto attenuazione dei raggi X, il Pdl deve essere trattata con soluzione al 5% PTA 20.

  1. Soluzione colorante Backfill PTA in un ambiente pulito da 1,8 ml in vetro carpule e mettere carpule caricato nella siringa.
  2. Iniettare la soluzione lentamente (5 min / carpule) nel PDL-spazio di denti adiacenti per evitare danni strutturali ai tessuti parodontali molare di interesse circostanti.
    Nota: I passaggi di cui sopra dovrebbe be ripetuto fino a circa 5 carpule completi (9 ml) di soluzione vengono iniettati e lasciato scorrere nei tessuti circostanti. Gli esemplari prepped possono anche essere messi a bagno durante la notte nella soluzione PTA rimanente (8 ore).

5. Le impostazioni di scansione μ-XCT consigliati

Eseguire m-XCT con le seguenti impostazioni di scansione:

Obiettivo Ingrandimento 4X, 10X
1.800 immagini
X-ray tensione del tubo 75 kVp (50 kVp per i campioni PTA macchiato)
8 W
Tempo di esposizione ~ 8-25 sec *
~ 4 micron (obiettivo 4X), ~ 2 micron (obiettivo 10X) **

* Tempo di esposizione può variare in base alla geometria e densità ottica del campione e X-ray tube voensione.
** Pixel di risoluzione effettiva sarà leggermente diverso in base alla configurazione della sorgente, del campione, e il rivelatore.

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Representative Results

Stima di carico dispositivo "gioco", "push back", rigidità, e la deriva del sistema sotto un carico costante

Backlash: Tra carico e scarico porzioni del ciclo, esiste una pausa di 3 secondi durante i quali retromarce nel motore prima vera scarico comincia, cioè come il campione si allontana dalla ganascia superiore (Figura 3). Questo periodo viene indicato come un gioco nel sistema, che rappresenta un intervallo di tempo quando il sistema tenta di passare dalla chiusura all'apertura delle ganasce. Va notato che tutti i cicli di carico conterranno una simile risposta contraccolpo indipendentemente campione o condizioni di carico (Figura 4). Un carico normale curva della volta ottenuto utilizzando un corpo rigido è mostrata nelle figure 3A e 3B evidenziando il carico, scarico, e le regioni a gioco in due diversi lOADs di 6 N e 16 N. Un carico normale curva della cilindrata evidenziando i corrispondenti tre segmenti è mostrata in Figura 3C.

Pushback: Mentre tutti i periodi a gioco verificano entro lo stesso periodo di tempo 3 sec, la risposta reazionaria e di conseguenza la forma della regione contraccolpo potrebbe cambiare a seconda del modello. Testando il sistema utilizzando un corpo rigido (Figura 3), il picco più basso e più alto carico reazionaria è stata osservata rispetto al complesso osso-PDL-dente e polydimethlysiloxane (PDMS). Tuttavia, l'articolazione fibrosa illustrato un calo significativo della carica reazionaria durante la fase gioco rispetto al PDMS. PDMS (Figura 4) campioni sembrava avere la minima goccia (nessuna differenza tra le 01:05 e 01:25 densità reticolante - Figura 4A).

Rigidità: rigidità del dispositivo di caricamento durante il test against corpo rigido era significativamente superiore a quella dei campioni complessi e PDMS. Questi dati convalidano l'efficacia del dispositivo di caricamento per evidenziare cambiamenti nella biomeccanica del complesso osso-PDL-dente e materiali morbidi (Figura 4B).

Visualizzare le strutture dei tessuti molli e duri all'interno del complesso osso-PDL-dente integro usando μ-XCT: In un giunto fibroso senza macchia, ma idratata, attenuazione delle caratteristiche dei tessuti duri, compreso l'osso alveolare, cemento, smalto e dentina sono state evidenziate (figure 5A e 5B). Tuttavia, spazi che contenevano tessuti organici prevalentemente morbidi erano trasparenti ai raggi X, lasciando la PDL-spazio relativamente "vuoto" (nero). I campioni trattati con PTA hanno mostrato un aumento del contrasto all'interno del Pdl-spazio, evidenziando così le caratteristiche rappresentante del Pdl e dei tessuti gengivali (figure 5C-F). La scansione in un magnifica superiorezione rivelato PDL come una rete fibrosa tra il dente e l'osso.

Reactionary forza vs spostamento: risposta biomeccanica dell'articolazione durante fibrosa in situ loading: rispetto al carico concentrico, eccentrico modello di carico su un campione analoghe mostrato maggiore spostamento del dente all'interno dell'articolazione per un dato carico reazionaria (Figura 6A). Tuttavia, per le articolazioni fibrose trattati con PTA non sono state osservate differenze significative nei biomeccanica generale, indipendentemente dalle condizioni di carico (Figura 6B). Nel sistema greggia ma eccentrica, la maggiore cilindrata della radice nella presa alveolare può essere correlato ad rigidità inferiore come si vede nelle curve di carico-spostamento (figura 6C). Mentre ci potrebbe essere una variazione naturale che porta ad una serie di risposte biomeccaniche di articolazioni fibrose raccolti nella gruppi di controllo, PTA-trattata fibrosogiunti esposti maggiore rigidità e sfollati meno all'interno della presa rispetto alle controparti non trattati per un determinato carico di picco reazionaria. Tuttavia, non vi è stata alcuna variazione rilevabile in forma o durata della fase di reazione del ciclo di carico tra i campioni trattati e non trattati PTA.

Configurazione spaziale tridimensionale e morfometria: mappatura della configurazione osso-dente sotto condizioni di carico utilizzando μ-XCT: fette virtuali presi da tomogrammi sono stati confrontati per illustrare 1) movimento dei denti all'interno della presa, 2) l'associazione dente-osso sia in 2D e 3D , 3) l'entità del movimento dovuto alla eccentrico rispetto al carico concentrica. Movimento dente è stato evidenziato da sovrapposizione di fette virtuali simili a vuoto e al carico e di generazione di film gif. Mentre entrambi i regimi di carico causato il dente di spostare verticalmente all'interno dell'articolazione, una configurazione di carico eccentrico (figure 7B e 7C) ecAUSED un effetto di rotazione supplementare del dente con le radici rotante distalmente conseguente spazio PDL diminuito lungo i lati distali delle radici rispetto scansioni concentrici carico (Figure 7 e 8). Sebbene la PDL PTA-tinto era più attenuante (Figura 5), il movimento del dente entro presa alveolare nelle articolazioni PTA trattati era meno pronunciata e correlata con i dati biomeccanici (Figure 6B e 6C).

Figura 1
Figura 1. Un adattato 15 illustrazione di luoghi chiave durante la preparazione del emimandibola per il test biomeccanico. Mostrato all'interno del riquadro è un emimandibola.


Figura 2. Configurazione di una unità in situ carico e sistema μ-XCT. (A) L'immagine di un dispositivo di carico in situ su un supporto personalizzato all'interno del micro-X-tomografia computerizzata (μ-XCT) unità. Concentrico (B) ed eccentriche condizioni (C) di carico determinato dal tipo di contatto tra l'incudine e la superficie del composito sono illustrati sotto forma di schemi, e delle corrispondenti configurazioni sperimentali (regione corrisponde a quella evidenziata dal riquadro bianco in (A ), rispettivamente. Marks da articolare carta confermano l'area di contatto iniziale tra l'incudine e il composito dentale. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita. </ A>

Figura 3
Figura 3. Curva rappresentativa carico-temporale che illustra sistema "gioco". Load vs tempo utilizzando un corpo rigido illustra periodo reazione come un evento tra la chiusura e l'apertura delle incudini. La regione verde indica periodo di carico dove incudini stanno avvicinando (regione verde) per caricare un corpo rigido a 15 N (A) e 5 N (B, riquadro). La regione blu indica un periodo di scarico dove le incudini sono ritirando l'uno dall'altro. Tuttavia a causa della mancanza di risposta istantanea del motore dovuto al tempo impiegato da inversione di marcia, si trova un periodo sferza indietro di circa 3 sec. Durante questo periodo il carico diminuisce approssimativamente di 2 N prima che si verifichi vero scarico. Carico e scarico eventi possono essere correlati a caricare contro il grafico di spostamentos (C), che mostra lo spostamento minimo durante il periodo di gioco. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

Figura 4
Figura 4. Curve di carico-spostamento rappresentativi ei effetto "push back" utilizzando PDMS curve inferiori:. Rapporti Load-temporali tra PDMS di diminuzione monomero reticolante rapporti rivelano la capacità in situ unità di carico per rilevare differenze nelle proprietà del materiale. Top curve a sinistra ea destra illustrano il cambiamento nella reazione del sistema a causa del recupero dei materiali. La sinistra e destra rispetto illustrano lo stesso effetto, indicando che la differenza recupero 1:25-01:05 PDMS è minima o non rientralimiti di rivelazione del dispositivo di caricamento. B) Curve carico-spostamento per materiali diversi tra cui alluminio rigido corpo, campioni sperimentali, e le 3 PDMS esemplari. È la pendenza della parte lineare 30% della curva di carico che è stato utilizzato per calcolare la rigidità del materiale. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

Figura 5
Figura 5. X-ray sezioni virtuali dei secondi molari mandibolari colorate per PDL valorizzazione struttura. (A, B) valori scala di grigi all'interno molari trattati indicano attenuazione dei raggi X di vari tessuti tra cui le regioni più morbidi all'interno del complesso. Tuttavia, i tessuti nonmineralized come PDL non sono state evidenziate per la sua minimal attenuando caratteristiche di energia dei raggi X a 75 kVp. (CF) Dopo PTA macchiare le caratteristiche attenuanti della morbida Pdl sono stati rafforzati e dettagli all'interno del Pdl sono state visualizzate utilizzando un microscopio a raggi X. Così, sagittali 2D virtuale (C-4X ingrandimento, ingrandimento E-10X) e trasversali (D-4X ingrandimento, ingrandimento F-10X) sezioni rivelato orientamento delle fibre PDL (frecce gialle). Il lume dei vasi sanguigni all'interno di spazi endosteal (frecce arancioni) e il Pdl (frecce bianche) sembra strutture circolari scure, mentre lo spazio della polpa rimane senza macchia. Gli artefatti creati durante la procedura di colorazione sono anche noti (D, asterischi rossi). Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

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Figura 6. Campioni concentricamente e eccentrica. Superiore (A) ed i pannelli inferiori (B) illustrano i filmati quick time del rapporto dente-osso a vuoto e quando caricato rispettivamente a 15 N, concentricamente ed eccentricamente. I pannelli superiori e inferiori illustrano associazione osso-dente quando (B) condizioni non trattati (A) e macchiati. Pannello centrale (C) illustra i diversi comportamenti di carico-spostamento tra eccentrico e concentrico (curve a sinistra) i complessi carichi e colorati e non colorati (curve a destra) complessi. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

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Figura 7. Sagittale sezione del 2 ° molare illustra l'associazione del dente con la presa alveolare quando caricato concentricamente (A) ed eccentricamente (B). Maggioranza di compressione è stata riscontrata entro interradicolare (punte di freccia) e apicale (frecce) limitata. Rispetto alle sezioni virtuali del dente in carico eccentrico (B), il componente di rotazione supplementare delle cause di movimento dei denti aumentato compressione al lato distale della radice mesiale. Sezioni trasversali sovrapposti rivelato traduzione distale e in senso orario movimento di rotazione del dente (le radici verdi) rispetto ad un dente concentricamente caricato (grigio). Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

Figura 8 Figura 8. Ricostruito film in 3D rivelano una PDL-spazio ridotto all'interno della parte distale della radice quando eccentrica (E) rispetto ad un concentricamente caricata complesso (D). Clicca qui per vedere il carico eccentrico e clicca qui per visualizzare il carico concentrica.

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Discussion

Il primo passo per stabilire questo protocollo coinvolto valutare la rigidità del telaio di carico utilizzando un corpo rigido. Sulla base dei risultati, la rigidità era significativamente superiore che consente l'utilizzo del dispositivo di caricamento per ulteriori test di campioni con valori di rigidezza significativamente più bassi. Il secondo passo evidenziato la capacità dello strumento di distinguere diversi valori di rigidità utilizzando due fasi della curva carico-scarico generati utilizzando un corpo rigido, PDMS materiali di diversa densità di reticolazione, e articolazioni fibrose. La rigidità della fase di carico e pushback durante la fase reazione sono stati usati per identificare la resistenza del materiale per caricamento e recupero del materiale dopo lo scarico (figure 3 e 4). La terza e quarta fasi del protocollo erano di correlare le variazioni della curva carico-spostamento ottenuta dal dispositivo di caricamento per la nell'imaging situ fatto con tegli uso di raggi X (Figura 5). Ciò ha comportato caricamento delle articolazioni e ottenere tomografie a vuoto e carico, in condizioni concentriche ed eccentriche rispettivamente. Il protocollo dimostrato che cambiando le differenze asse di carico a livelli di PDL-compressione può essere evidenziata (figure 6 e 7). In questa discussione per prima cosa evidenziare le caratteristiche dello strumento e le sfide che devono essere adeguatamente comprese e soddisfatte prima del test biomeccanico del complesso osso-PDL-dente.

Le sfide del setup sperimentale

Accumulo Composite: Mentre il protocollo in sé è relativamente semplice, ci sono diversi passaggi che devono essere fatte con grande cura. Una delle sfide più grandi è stato quello di assicurare che il materiale composito in eccesso non ha fatto traboccare ai denti adiacenti, che sarebbe poi collegare meccanicamente più denti e travisare la mecca congiuntaics di un singolo dente. Poiché significativo manualità e conoscenza degli strumenti dentali dimostrati utili per questa procedura, la preparazione di campioni per il carico è stata eseguita principalmente da studenti dentali e dentisti con l'assistenza di ingrandimento ottico.

Schema di carico consistente: Un altro dettaglio importante per il test biomeccanico era garantire un sistema di carico costante. L'area di contatto tra la ganascia del dispositivo in situ carico e opponendosi superficie del composito si è rivelato molto importante per l'esperimento. Questo perché la meccanica del giunto fibroso possono cambiare come risultato dell'area di contatto, che è stato simulato in questo studio utilizzando (sbilanciati) carichi concentrici ed eccentrici. Lo scenario presentato in questo studio imita eventuali modifiche di occlusione dei denti di mammifero, che potrebbe risultare in un cambiamento in movimento dente all'interno della presa alveolare (Figura 5). Mentre si è capito that sul meccanismo proposto non imita il ciclo di masticazione fisiologica, si presenta come un metodo di prova standard. Creando un accumulo composito con una superficie parallela alla mascella della fase di carico, siamo stati in grado di generare un modello di carico costante. Questo metodo di prova standard può essere utilizzato per identificare i cambiamenti nelle biomeccanica dei complessi osso-PDL-denti di vari gruppi sperimentali.

Sensibilità del dispositivo situ carico: Il protocollo sperimentale descrive i metodi per la convalida limiti di rilevabilità del dispositivo situ carico con tre diversi esemplari, di cui due possono essere considerati come materiali standard. La rigidità del telaio di carico quando testato con alluminio era significativamente più alta con trascurabile contributo al comportamento meccanico osservato di vari esemplari PDMS, e la risposta biomeccanica di un giunto fibroso. Mentre tutti i campioni analizzati hanno avuto un periodo di reazione di~ 3 sec, la forma della porzione di gioco variato leggermente (Figura 4A) con il tipo di campione. I campioni rigidi mostrato una forte diminuzione del carico reazionario (Figure 3A e 4A), mentre gli esemplari più morbide non mostrano una forte diminuzione (Figura 4A). Si può sostenere che la differenza di comportamento del gioco è attribuita alla capacità del campione per spingere indietro le marce durante l'inversione di marcia. L'effetto spinta indietro sugli ingranaggi potrebbe manifestare in un calo inferiore nella massima risposta reazionaria del materiale come la mascella inizia ad allontanarsi dal campione. Pertanto, il segmento del gioco può essere sfruttato per acquisire conoscenze di beni materiali. Valori di rigidezza di PDMS calcolati dalle curve spostamento di carico erano in accordo con i valori letteratura 22, e l'intervallo di rigidezza per PDMS reticolati era all'interno della gamma del complesso osso-PDL-dente. Quindi, il carico in situ device è adatto per misurare lo spostamento e la risposta reazionaria del dente viene compressa nella presa alveolare. La risposta reazionaria può essere da componenti morbide e / o difficili. Il dominio del componente più morbido il più duro può essere identificato caricando incrementale e di imaging, seguita correlando digitalmente il vuoto a condizioni di carico per identificare le regioni di deformazione dominato all'interno del complesso osso-PDL-dente 13.

Componente principale della masticazione è nella direzione assiale: simili agli esseri umani, il ciclo di masticazione ratti comporta il movimento libero della mandibola di masticare cibo 23, 24. Mentre questo movimento è stato mappato per includere molte direzioni diverse, come movimenti laterali, il componente principale del carico è pensato per essere nella direzione assiale 23. Pertanto, la simulato in situ carichi in direzione assiale sono stati collocati sia concentricaly o eccentricamente (Figura 2).

Fattori sperimentali che potrebbero influire sui risultati relativi al livello biomeccanica organo: Il vantaggio di accoppiamento microscopia a raggi X con in situ loading è che la curva carico-spostamento può essere correlata alla sezione spaziale del dente con la presa alveolare, forma della radice e la superficie alveolare, e il restringimento e allargamento della PDL-spazio sotto carico. La correlazione e la valutazione complementare offre un approccio olistico per determinare biomeccanica organo. In passato, è stato postulato che solo la meccanica di un organo e / o tessuti possono richiedere comportamento carico-spostamento. Questo protocollo illustrato che l'associazione dei componenti in movimento sotto carico può anche essere una caratteristica di rigidità osservata. Eventuali cambiamenti osservati entro il primo 5-8 N è pensato per essere fornite dalla qualità del Pdl un cambiamento conformazionale iniziale all'interno delcollagene e di scambio liquido interstiziale con resistenza minima a caricare, questa regione è stata indicata come la regione "uncrimping" 26. Carichi superiori a 7 N potrebbero essere fornite da denti, ossa, gli effetti di deformazione-indurimento del legamento parodontale, e le interfacce inerenti i tessuti. Una volta che il PDL-spazio è ridotto al minimo e il PDL subisce incrudimento, interazioni tessuti duri tra il dente e la presa ossea sorgono nella regione interradicolare risultante in un carico più ripida pendenza allo spostamento. Oltre al recupero di materiale, il contraccolpo del dispositivo di caricamento può essere sfruttato per indagare la natura viscoelastica del PDL senza alterare il giunto come è stato fatto in altri studi 16, 25.

Le regioni generali all'interno delle curve di spostamento di carico correlano ad alcuni eventi all'interno dell'articolazione. Gli eventi di cui sopra sono i denominatori comuni tra i due regimi di carico. Tuttavia, le differenzetra i profili di carico-spostamento concentrici ed eccentrici e tomogrammi corrispondenti evidenziato l'influenza della direzione di carico sulla biomeccanica complessivi organo. La fonte principale di queste differenze è stata l'introduzione di una rotazione dente poiché sposta all'interno dell'articolazione, causando la compressione degli spazi PDL in zone specifiche. Resta inteso che carichi fisiologici normali sono applicati sul dente in più direzioni, compresi quelli che introducono movimento dentale rotazionale. Tuttavia, si raccomanda che un regime di carico concentrico essere utilizzato come sistema di carico standard per la difficoltà di applicare un carico eccentrico "standard" in tutti i campioni. Come tale questo protocollo sperimentale può essere utilizzata per distinguere differenze biomeccaniche tra sistemi adattati e nonadapted.

Uno degli svantaggi di usare raggi X più alta energia è che sono minimamente assorbiti dai tessuti morbidi e prodotte contrasto insufficiente. Il Pdl è transparent a raggi X e di conseguenza richiede l'uso di agenti di contrasto. PTA esalta i contrasti di tessuti molli mediante colorazione direttamente 27-29 e consentendo per la visualizzazione mediante raggi-X. Quindi, utilizzando i mezzi di contrasto, deformazione visibile nelle regioni tessuti molli colorati tra tomografie di carico e scarico è stato osservato, tuttavia maggiore ingrandimento (almeno 10 volte) è raccomandato per analisi (dati non mostrati). Una limitazione del protocollo di colorazione incluso l'uso di etanolo, un fissativo lieve 29 che da modificare la rigidità della PDL e meccanica articolare generale che ha portato a conclusioni errate.

CONCLUSIONI

Questo studio evidenzia un nuovo protocollo di test per analizzare la risposta biomeccanica di un intatto osso-PDL-dente congiunta fibroso, ma in ex vivo condizioni. Il metodo sperimentale descritto incluse analisi post dei dati possono essere utilizzati per misurare gli effetti di compevariabili imental (cioè malattia, fattori di crescita, età e molecole terapeutiche) sulla meccanica dell'osso-PDL-dente giunto fibroso. Inoltre, i risultati di questi esperimenti serviranno da base per cui i rapporti tra variazioni a livello organo macroscala possono essere correlati a modifiche specifiche ai livelli tissutali e cellulari. Limitazioni del protocollo includono, immagini oggetto ex vivo condizioni, l'uso di agenti di contrasto, e perdita di precisione spaziale tra le superfici del dente e presa alveolare causa rilassamento dei tessuti durante tempi di acquisizione più lunghi necessari per la generazione tomogram.

Materiale supplementare

Protocollo per la prova biomeccanica dei molari all'interno mascelle:

1. Se mascelle dovevano essere testato, rimuovere la mascella da ciascun cranio ratto con la faccia ventrale (tetto della bocca) rivolto verso l'alto. Sever muscoli e tessuti connettivi del legamento daparte laterale del cranio, tagliando attraverso il vestibolo (tasca tra le gengive e la guancia).

2. Palpare e fratturare il processo zigomatico dell'osso mascellare del cranio e recidere zigomatica dall'osso mascellare.

3. Tagliare il cranio verso il basso con un paio di forbici dissezione di massa attraverso il cervello partendo dal palato molle. Isolare l'aspetto anteriore del cranio e sbucciare il cuoio capelluto dalla parte dorsale (superiore) del cranio.

4. Con una coppia di sottili forbici dissezione, separare destra e sinistra hemimaxillae facendo un'incisione che segue una linea retta attraverso il centro del palato duro e alla regione interprossimali tra gli incisivi. Assicurarsi che la profondità del taglio è superficiale - solo abbastanza in profondità per perforare il palato duro.

5. Isolare il hemimaxillae facendo perpendicolare (all'asse lungo del cranio) incisionianteriore al primo molare e posteriormente al terzo molare. 1) Non tagliare troppo vicino ai primi e terzi molari per questo potrebbe compromettere la struttura della radice; 2) Non strappare via il tessuto gengivale circostante tutte e tre molari. Separare il hemimaxillae dal cranio tagliando il sottile osso mascellare superiore ad ogni hemimaxilla. Rimuovere eventuali tessuti e ossute spicole eccesso.

La convalida del dispositivo di prove meccaniche:

Per determinare la rigidità del telaio di carico e la deriva dei trasduttori di carico / spostamento, utilizzare un corpo rigido come l'alluminio con un modulo elastico di gran lunga superiore a quello del campione sperimentale.

Per determinare se lo strumento è in grado di differenziare vari valori di rigidezza rappresentativo di elementi morbidi, fabbricare blocchi PDMS con differenti densità di reticolazione (1:5 1:10 1:25 reticolante a base in peso) e caricarli usando lo stessoin situ dispositivo di caricamento.

Modalità contrasto di fase per migliorare il contrasto di elementi morbidi: Migliora il contrasto del PDL può essere effettuata sfruttando la modalità di contrasto di fase dello scanner. Fondamentalmente, contrasto di fase sfrutta capacità di rilevamento dello scanner di un cambiamento di fase ai bordi di tessuti, e fornisce maggiore dettaglio strutturale. Di conseguenza, in questo studio, le lacune di cementocyte-lacune e osteociti-lacune apparsa come porosità all'interno dei rispettivi tessuti mineralizzati. Queste strutture sono state rilevate in precedenza in una scansione standard in modalità assorbimento. Tomogrammi acquisito in modalità di trasmissione consentito per la visualizzazione delle strutture all'interno dello spazio negativo, ossia la PDL-spazio struttura endostali compreso il sistema di canali Haversian (per modello 3D vedi Figura S1). Strutture supplementari a PDL-spazio possono essere visualizzate come pure, come il sistema vascolare che è continua con che in osso.

Carichi equilibrati per l'acquisizione tomogram e la deriva del sistema:. Questa sezione possono essere meglio spiegati con riferimento alla lettera Figura 2 Figura S2A dimostra la necessità di equilibrare i carichi di picco prima di acquisire tomogrammi. Carichi di punta invariabilmente decadono ad una grandezza inferiore e il sistema dovrebbe essere equilibrati, almeno per un'ora prima di una tomografia 6-8 ore è acquisito. Va notato che la tomografia acquisito non è rappresentativo dell'associazione osso-dente al carico di picco, ma con un carico 2-3 N inferiore al carico di punta. Inoltre, è stato trovato il drift sistema misurata identificato tramite uno stub alluminio rigido a cambiare con velocità di spostamento e / o carichi di picco (Figura S2B e S2C). I valori approssimati deriva variavano da + 1 N / ora.

Seguendo prove meccaniche, una tomografia dell'articolazione fibroso è stata presa a vuoto, e ad un carico di picco ad una velocità di spostamento desiderata. Prima di acquisire una tomografia in condizioni caricati, occorre prestare attenzione per permettere al sistema di pervenire ad un equilibrio (stabilità) a seguito della quale la scansione deve procedere. Condizioni simili sono stati ripetuti per complessi colorati eccentrica e PTA. Dal tomogrammi, fette virtuali sono stati confrontati a vuoto a condizioni di carico al fine di individuare l'associazione dente-osso sia in due e tre dimensioni.

Supplemental Figura 1. Ricostruzione 3D di spazio negativo utilizzando microscopia a contrasto di fase migliorato X-ray. Nella modalità enhancement a contrasto di fase lo sfasamento che si verifica ai bordi dei tessuti è stata sfruttata per evidenziare i vasi sanguigni nel PDL. Modalità di assorbimento specificamente (sinistra) evidenziato tessuti mineralizzati all'interno del campo di vista, mentre la modalità di trasmissione (destra) ha evidenziato i vasi sanguigni all'interno dello spazio PDL nonché gli spazi endossei.

tenda "> Supplemental Figura 2. Decay di picco forze reazionarie ad uno stato di equilibrio prima della CT-scansione. curve indicano diversi tassi di decadimento della risposta reazionaria di un giunto fibroso (pannello superiore), e un corpo rigido (pannello inferiore).

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

Gli autori riconoscono sostegno finanziario NIH / NIDCR R00DE018212 (SPH), NIH/NIDCR-R01DE022032 (SPH), NIH / NIDCR T32 DE07306 (AJ, JDL), NIH / NCRR S10RR026645, (SPH) e Dipartimenti di Scienze dentali prevenzione e di riparazione e Scienze oro-facciali, UCSF. Inoltre, gli autori riconoscono Xradia Graduate Fellowship (AJ), Xradia Inc., Pleasanton, CA.

Gli autori ringraziano il Dott. Kathryn Grandfield, UCSF per la sua assistenza con elaborazione dei dati; Drs. Stephen Weiner e Gili Naveh, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israele, il dottor Ron Shahar, The Hebrew University di Gerusalemme, Israele per le loro discussioni perspicaci specifici del dispositivo situ di caricamento. Gli autori desiderano inoltre ringraziare Biomateriali e Bioingegneria microCT Imaging Strutture presso UCSF per l'uso di micro XCT e il dispositivo situ di caricamento.

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

  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).

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