In-situ-Druckbelastung und Correlative Nichtinvasive Bildgebung des Knochen parodontalen Ligament-Zahn-Faser-Joint

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 dieser Studie wird die Verwendung eines in situ-Ladevorrichtung in Verbindung mit Mikro-Röntgenstrahl-Computertomographie zur gemeinsamen Faser Biomechanik diskutiert. Experimentelle Anzeigen erkennbar mit einer Gesamtänderung der Gelenkbiomechanik gehören: 1) reaktionäre Kraft-Verschiebung, dh Zahnbewegung innerhalb der Alveole und ihre reaktionäre Antwort auf Laden, 2) drei-dimensionale (3D) räumliche Konfiguration und Morphometrie, dh geometrische Verhältnis der Zahn mit der Alveole und 3) Veränderungen der Auslesungen 1 und 2 aufgrund einer Änderung in Lastachse, dh konzentrische oder exzentrische Belastung.

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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

Diese Studie zeigt eine neuartige Biomechanik Testprotokoll. Der Vorteil dieses Protokolls umfaßt die Verwendung eines in situ-Ladevorrichtung, um eine hochauflösende Röntgenmikroskops gekoppelt ist, wodurch die Visualisierung interner Strukturelemente unter simulierten physiologischen Belastungen und Nässe. Experimentelle Proben gehören intakte Knochen Desmodont (PDL)-Zahn-Faser Gelenke. 1) reaktionäre Kraft-Verschiebung: Zahnverschiebung innerhalb der Alveole und ihre reaktionäre Antwort auf Laden, 2) drei-dimensionale (3D) räumliche Konfiguration Ergebnisse werden drei wichtige Merkmale des Protokolls, wie sie können, um Organebene Biomechanik angewendet werden, veranschaulichen und Morphometrie: geometrische Beziehung des Zahns mit der Alveole und 3) Veränderungen der Auslesungen 1 und 2 aufgrund einer Änderung der Ladeachse, also von konzentrisch zur exzentrischen Belastungen. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Protokoll wird durch die Kopplung mechanischer te ausgewertet werdenStachel Anzeige in die 3D-Morphometrie und die allgemeine Biomechanik des Gelenks. Darüber hinaus wird diese Technik auf die Notwendigkeit der Versuchsbedingungen äquilibrieren speziell reaktionären Lasten vor Erwerb Tomogramme von Faserverbindungen hervorzuheben. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorgeschlagene Protokoll beschränkt sich auf die Prüfung Proben unter ex-vivo-Bedingungen, und dass die Verwendung von Kontrastmitteln Weichgewebe mechanische Antwort visualisieren könnte zu falschen Schlüssen über die Gewebe-und Organebene Biomechanik führen werden.

Introduction

Mehrere experimentelle Methoden weiterhin verwendet werden, um die Biomechanik des diarthrodialen und Faserverbindungen zu untersuchen. Spezifisch für die Zahnorgan Biomechanik Verfahren umfassen die Verwendung von Dehnungsmessstreifen 1-3, Spannungsoptik Verfahren 4, 5, Moiré-Interferometrie 6, 7, elektronischen Specklemuster-Interferometrie 8 und digitale Bildkorrelation (DIC) 9-14. In dieser Studie beinhaltet das innovative Konzept nichtinvasiven Bildgebung mit Röntgenstrahlen, um die inneren Strukturen eines Fasergelenk freizulegen (mineralisierten Geweben und deren Schnittstellen aus weicheren Zonen und Schnittstellen Gewebe wie Bänder) bei Belastung entspricht in vivo-Bedingungen. Ein in situ-Ladevorrichtung mit einem Mikroröntgenmikroskops gekoppelt verwendet. Die Last-Zeit-und Kraft-Verschiebungskurven wird als Mol-Interesse in einem frisch geernteten Ratte Hemi-Unterkiefer geladen gesammelt werden. Die main Ziel der Ansatz in dieser Studie präsentiert wird, um die Wirkung von dreidimensionalen Morphologie der Zahn-Knochen durch den Vergleich Bedingungen bei betonen: 1) Leerlauf und unter Last, und wenn 2) konzentrisch und exzentrisch geladen. Wodurch die Notwendigkeit für Schnitt Proben und Experimente auf ganze Organe intakt unter feuchten Bedingungen durchführen wird für maximale Erhaltung der 3D-Spannungszustand zu ermöglichen. Es öffnet sich ein neues Gebiet der Untersuchung dynamischer Prozesse im Verständnis des Komplexes unter verschiedenen Belastungsszenarien.

In dieser Studie wurden die Methoden zur Prüfung PDL Biomechanik innerhalb einer intakten Fasergelenk einer Sprague Dawley-Ratte, wird ein Joint als optimale Biotechnik als Modellsystem beschrieben werden. Die Experimente werden in der Reihenfolge auf drei wichtige Merkmale des gemeinsamen markieren, wie sie Organebene beziehen, umfassen Biomechanik-Simulation des Kauens Lasten unter hydratisierten Bedingungen. Die drei Punkte sind: 1) reaktionäre Kraft-Verschiebung:Zahnbewegung innerhalb der Alveole und reaktionären Reaktion auf Belastung, 2) dreidimensionale (3D-) räumlichen Konfiguration und Morphometrie: geometrische Beziehung des Zahns mit der Alveole und 3) Veränderungen der Auslesungen 1 und 2 aufgrund einer Änderung in Ladeachse, also von konzentrischen exzentrischen Lasten. Die drei grundlegenden Auslesungen der vorgeschlagenen Technik kann angewendet werden, um die adaptive Natur der Gelenke bei Wirbeltieren entweder aufgrund von Veränderungen in der funktionellen Anforderungen und / oder Krankheiten zu untersuchen. Veränderung der zuvor genannten Anzeigen, insbesondere die Korrelation zwischen reaktionären Lasten mit Verschiebung, und die daraus resultierenden reaktionären Last-Zeit-und Kraft-Verschiebungskurven bei verschiedenen Belastungsraten können angewendet werden, um Veränderungen in der Gesamt Joint Biomechanik markieren. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Protokoll wird durch die Kopplung der mechanischen Prüfung Anzeige in die 3D-Morphometrie und die allgemeine Biomechanik des Gelenks ausgewertet werden.

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Protocol

Tier Gehäuse und Euthanasie: Alle Tiere in dieser Demonstration verwendet wurden unter keimfreien Bedingungen in Übereinstimmung mit den Richtlinien der Institutional Animal Care und Verwenden Committee (IACUC) und dem National Institute of Health (NIH) untergebracht.

Geben Tiere mit Standard-Fest-Pellet Rattenfutter und Wasser ad lib. Euthanize Tiere über eine Zwei-Schritt-Verfahren zur Erstickung mit Kohlendioxid, bilaterale Thorakotomie gemäß dem Standardprotokoll von UCSF durch IACUC genehmigt. Führen biomechanischen Tests innerhalb von 24 Stunden Tieropfer zu Gewebeabbau zu vermeiden.

1. Vorbereitung und Präparation der Ratte eine Unterkiefer-oder Oberkiefer

  1. Entfernen Ratte Mandibeln durch vorsichtiges Abtrennen häutigen Gewebe und Muskelgewebe Anhänge und gleichzeitig die gesamte Unterkiefer, einschließlich des Processus coronoideus und dem Gelenkfort (Abbildung 1) 15.
  2. Separate hemimandibles mit dem Autoefully Schneiden des Fasergewebe der Symphyse mit einem Skalpell.
    Hinweis: Die Koronar-und Gelenkfort und Ramus des Unterkiefers (1) zu entfernen, wenn sie physisch behindern biomechanischen Tests der 2. molaren werden.
  3. Schneiden Sie die Schneidezähne, ohne dass die Zellstoffkammer nicht zu Belastung der Molaren zu behindern.

2. Probenpräparation für die in-situ Druckbelastung (Abbildung 2)

  1. Immobilisierung der Probe auf einem Stahlstichleitung durch Verwendung eines Materials, das wesentlich steifer als die experimentelle Probe vor dem Laden in ein in situ Ladevorrichtung (2A).
    Hinweis: Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet, um die Probe in dieser Studie und überschüssiges immobilisieren, falls vorhanden, wurde unter Verwendung eines zahnärztlichen Sonde entfernt.
  2. Richten Sie die Kaufläche der Molaren (e) von Interesse parallel mit der AFM-Metall-Objektplatte mit einer geraden Kante in beidenEbenen (dh mesial-distal und bukkal-lingual).
  3. Erstellen Sie ein Trog mit einem stumpfen Instrument rund um die Backenzähne.
    Hinweis: Dieser Raum sollte als "Burggraben" um überschüssige Flüssigkeit zu enthalten und zu pflegen Gewebehydration während der in-situ-Lade dienen.
  4. Bereiten Sie die Zahnoberfläche zum Aufbau für konzentrische (2B) oder exzentrisch (2C) Befüllung mit einem Dental-Komposit. Ätzen der Oberfläche des Zahns von Interesse mit 35% iger Phosphorsäure-Gel auf Kaufläche für 15 sek.
  5. Mit VE-Wasser spülen Ätzmittel gründlich und trocknen Sie die Oberfläche mit einer Luft / Wasser-Spritze oder einen Druckluftbehälter. Mit einem Explorer, verbreiten einen Tropfen des Bindemittels in offene Höcker in einer dünnen Schicht. Heilung der Verbund mit einer Zahn fixieren.
    Hinweis: Alle Schritte mit Verbundwerkstoffe sollten ohne direkte Licht einer Lampe durchgeführt werden. Solche Bedingungen würden unerwünscht beschleunigen die Polymerisation und could verhindern eine ordnungsgemäße Platzierung der Verbund. Raumbeleuchtung ist akzeptabel.
  6. Überschüssiges Bindemittel von benachbarten Zähnen mit einem feinen Skalpell oder einer Rasierklinge.
  7. Zeigen fließfähige Zahnverbund auf der Oberfläche nach der Herstellung der Oberfläche und verteilt ihn in Nuten der Molaren (e) von Interesse mit einem Zahn Explorer.
  8. Expose der Verbundzahn Heilung Licht für 30 Sekunden.
  9. Schimmel eine okklusale Aufbau von etwa 3-4 mm unter Verwendung eines Dentalharz-Verbund, von der okklusalen Ebene der Molaren (n) von Interesse und Licht Heilung für 30 Sekunden.
  10. Reduzieren Sie die Oberseite der Verbundaufbau zu einer flachen Oberfläche parallel eine einheitliche Ladeschema in allen Proben durch Verwendung eines geraden Kante und eine Hochgeschwindigkeits-Handstück zu ermöglichen.
    Anmerkung: Während der biomechanischen Tests sollten andere Proben in Tris-Phosphat-Pufferlösung (TBS) mit 50 mg / ml Penicillin gespeichert und Streptomycin 15.

3. Lädt Geräte Drift undSteifigkeit, Materialeigenschaften Differenzierungsfähigkeit in situ Laden des Faser Joint

  1. Sichern die Probe mit dem Verbundaufbau auf dem Amboß der Ladephase und Test für eine gleichmäßige Belastung, wie in Fig. 2B gezeigt.
  2. Legen Sie eine Artikulationspapier auf der Oberfläche des Verbund gefolgt von dem Laden der Probe auf eine endliche Last für konzentrische oder exzentrische Belastung (2B und 2C) zu überprüfen.
  3. Zeigen TBS-getränkten Kimwipe um die Probe zu Probe Hydratation zu gewährleisten. Stellen Sie eine Mulde auf der Probe und füllen Sie es mit TBS, die Orgel während der Bildgebung mit Feuchtigkeit versorgt.
  4. Eingangs-und Spitzenlastverschiebungsrate in den Deben Software, um die Molaren zu einer gewünschten Spitzenlast bei einer Verschiebung Rate nach Ruhigstellung des Kieferhälfte zu komprimieren.
    Hinweis: Typische Anzeigen sollte eine reaktionäre Last enthalten, wie das Material im Laufe der Zeit zusammengedrückt (Lastsensorempfindlichkeit = 0,1N). Von Last-Zeit-und Weg-Zeit sollte ein Last-Verschiebungs-Kurve für das Druckmaterial erhalten 16-18 werden. Verwendung der von dem Ladezyklen gesammelten Daten können verschiedene Eigenschaften der Verbindung bestimmt werden. Die Steifheit des Gelenks ist, indem die Steigung des linearen Teils (ungefähr die letzten 30% der Daten) der Ladephase der Last-Weg-Kurve 19 berechnet werden.

4. Die Färbung der Soft Tissue, der PDL, mit Phosphorwolframsäure (PTA)

Hinweis: Um Röntgenschwächungs Kontrast zu erhöhen, sollte die PDL mit 5% PTA-Lösung 20 gefärbt werden.

  1. Backfill PTA-Färbelösung in ein sauberes 1,8 ml Glascarpule und legen geladen Carpule in die Spritze.
  2. Inject Lösung langsam (5 min / Glaszylinder) in die PDL-Raum der benachbarten Zähne, um strukturelle Schäden an parodontalen Gewebe um Molaren von Interesse zu verhindern.
    Hinweis: Die oben genannten Schritte sollte be wiederholt, bis etwa 5 Vollglaszylinder (9 ml)-Lösung werden injiziert und in die umgebenden Gewebe zu strömen. Die Proben vorbereitet kann auch über Nacht in der verbleibenden PTA-Lösung (8 Stunden) eingeweicht werden.

5. Empfohlene Scan-Einstellungen μ-XCT

Führen m-XCT mit den folgenden Scan-Einstellungen:

Ziel Vergrößerung 4X, 10X
1800 Bilder
Röntgenröhrenspannung 75 kVp (50 kVp für PTA gefärbten Proben)
8 W
Belichtungszeit Zwischen 8-25 sec *
~ 4 um (4X Ziel), ~ 2 um (10X-Objektiv) **

* Belichtungszeit basierend auf der Geometrie und der optischen Dichte der Probe und der Röntgenröhre variieren voltage.
** Tatsächlichen Pixelauflösung leicht basierend auf der Konfiguration der Quelle, Probe und Detektor unterscheiden.

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Representative Results

Die Einschätzung der Ladevorrichtung "backlash", "Pushback", Steifigkeit und Drift-System unter einer konstanten Last

Backlash: Zwischen Be-und Entladen des Zyklus gibt es eine Pause von 3 Sekunden, während der umgekehrte Räder innerhalb des Motors, bevor wahr Entladen beginnt, dh als die Probe zieht weg von der Aufsatzbacke (Abbildung 3). Dieser Zeitraum wird als ein Spiel in dem System, das einen Zeitabschnitt darstellt, wenn das System versucht, vom Schließen zum Öffnen der Backen-Schalter bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass alle Belastungszyklen eine ähnliche spiel Reaktion unabhängig von Probe oder Belastungsbedingungen (Fig. 4) enthält. Ein normaler Last-Zeit-Kurve mit einem starren Körper erhalten wird, in 3A und 3B gezeigt Hervorhebung der Laden, Entladen und spiel Regionen in zwei verschiedenen lEide 6 N und 16 N. Ein normaler Belastung Kurve der Verschiebung Hervorhebung der entsprechenden drei Segmente ist in 3C gezeigt.

Pushback: Während alle spiel Perioden innerhalb des gleichen Zeitrahmen 3 Sekunden, die reaktionäre Antwort und als Ergebnis die Form der spiel Region könnte in Abhängigkeit von der Probe verändern auftreten. Durch Testen des Systems mit einem starren Körper (3) wurde die steilsten und höchsten Abfall reaktionären Last im Vergleich zum Knochen PDL-Zahn-Komplex und Polydimethylsiloxan (PDMS) beobachtet. Allerdings veranschaulicht die Faserstoffgelenk einen deutlichen Rückgang bei reaktionären Last während spiel Phase im Vergleich zu PDMS. PDMS (4) Proben schien die mindestens Abfall (kein Unterschied zwischen den 1.05 Uhr und 01.25 Uhr Vernetzungsdichten - 4A) haben.

Steifigkeit: Die Steifigkeit der Ladevorrichtung bei der Prüfung against starre Körper war signifikant höher als die der komplexen und PDMS Proben. Diese Daten bestätigen die Wirksamkeit der Ladevorrichtung, um Änderungen in der Biomechanik des Knochen PDL-Zahn-Komplex und weicheren Materialien (4B) zu markieren.

Visualisierung von Weich-und Hartgewebestrukturen innerhalb der intakten Knochen-PDL-Zahn-Komplex mit μ-XCT: In einem ungefärbten, aber hydratisiert Faserverbindung, wurden Dämpfung von Hartgewebe-Funktionen, einschließlich Kieferknochen, Zahnzement, Zahnschmelz, Dentin und markiert (Fig. 5A und 5B). Allerdings waren Räume, die überwiegend organische Gewebe weicher enthalten lässig für Röntgenstrahlen, so dass die PDL-Raum relativ "leeren" (schwarz). Proben mit PTA behandelt wurden, zeigten einen erhöhten Kontrast innerhalb der PDL-Raum, damit Hervorhebung Features Vertreter der PDL und Zahnfleischgewebe (5C-F). Scannen mit einer höheren magnification ergab PDL als Fasernetzwerk zwischen dem Zahn und dem Knochen.

Reaktionäre Kraft-Verschiebung: biomechanische Verhalten der Faserverbindung während in situ Belastung: Im Vergleich mit konzentrischen Laden, exzentrische Belastung Muster auf eine ähnliche Probe zeigte erhöhte Verschiebung der Zahn im Gelenk für eine bestimmte reaktionären Last (6A). Für Faserverbindungen mit PTA behandelt keine signifikanten Unterschiede in der Gesamt Biomechanik wurden, unabhängig von dem Ladezustand (Fig. 6B) beobachtet. In der unbehandelten, aber exzentrisch ausgelasteten System kann die erhöhte Verschiebung der Wurzel in die Alveole geringere Steifigkeit als in der Last-Verformungs-Kurven (Fig. 6C) gesehen korreliert werden. Während es könnte eine natürliche Varianz, die zu einer Reihe von biomechanischen Reaktionen von Faserverbindungen innerhalb der Kontrollgruppe geerntet, PTA-behandelte FaserGelenke zeigten erhöhte Steifigkeit und weniger in der Buchse Vergleich zu unbehandelten Gegenstücke für einen bestimmten reaktionären Spitzenlast verschoben wird. Jedoch gab es keine nachweisbare Änderung in der Form oder die Dauer der spiel Phase der Last-Zyklus zwischen unbehandelten und behandelten Proben PTA.

Dreidimensionale räumliche Konfiguration und Morphometrie: Abbildung der Knochen-Zahn-Konfiguration unter Lastbedingungen mit μ-XCT: Virtuelle Scheiben von Schnittbilder aufgenommen wurden im Vergleich zu 1) Zahnbewegung in der Buchse zu veranschaulichen, 2), Zahn-Knochen-Verein sowohl in 2D und 3D , 3) das Ausmaß der Bewegung durch exzentrische Vergleich zu konzentrische Belastung. Zahnbewegung wurde durch Überlagerung von ähnlichen virtuellen Scheiben im Leerlauf und bei Last-und Erzeugungs gif Filme hervorgehoben. Während beide Ladesysteme verursacht der Zahn vertikal innerhalb der gemeinsamen verdrängen, eine exzentrische Belastung Konfiguration (7B und 7C) caused eine zusätzliche Drehwirkung des Zahns mit den Wurzeln Dreh distal zu einer verminderten PDL entlang den distalen Seiten der Wurzeln im Vergleich mit konzentrischen Lade Scans (7 und 8). Obwohl die PTA-gefärbten PDL war Dämpfungs (Abbildung 5), die Bewegung des Zahns in die Alveole in PTA behandelten Gelenke weniger stark und mit den biomechanischen Daten korreliert (Fig. 6B und 6C).

Figur 1
Fig. 1 ist. Eine angepasste 15 illustration der wichtigsten Standorte bei der Vorbereitung des Kieferhälfte für biomechanische Tests. Im Einsatz Gezeigt ist eine Kieferhälfte.


2. Konfiguration eines in situ Ladeeinheit und μ-XCT-System. (A) Ein Bild von einem in-situ-Ladevorrichtung auf einem kundenspezifischen Halter innerhalb der Mikro-Röntgen-Computertomographie (μ-XCT-) Einheit. Konzentrische (B) und exzentrisch von der Art des Kontaktes zwischen dem Amboss und der Verbundfläche (c) bestimmten Belastungsbedingungen in Form von Schaltplänen dargestellt und die entsprechenden Versuchsaufbauten (Region entspricht, die durch den weißen Kasten markiert (A ) auf. Marks von Artikulationspapier bestätigen die erste Kontaktfläche zwischen dem Amboss und der Dental-Komposit. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht. </ A>

Fig. 3
3. Repräsentative Last-Zeit-Kurve, System "backlash". Last gegen die Zeit mit einem starren Körper zeigt spiel Zeitraum als ein Ereignis zwischen Schließen und Öffnen der Ambosse. Der grüne Bereich zeigt an, Belastungsdauer, wo Ambosse nähern (grün-Region) zu einem starren Körper zu 15 N (A) und 5 N (B, Einschub) laden. Der blaue Bereich zeigt eine Entladung Zeitraum, in dem die Ambosse sind voneinander Zurückziehen. Allein aufgrund der fehlenden momentanen Motor Antwort aufgrund der Zeitumkehr durch Getriebe genommen, liegt ein Umkehrspiel Zeitraum von ca. 3 sek. Während dieser Zeit nimmt die Last von ca. 2 N vor wahren Entladung auftritt. Be-und Entladen Ereignisse im Zusammenhang mit gegen Weg-Diagramm zu ladens (C), die minimale Verschiebung während der spiel Zeitraum zeigt. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.

Fig. 4
4. Repräsentative Lastverschiebungskurven und "Pushback"-Effekt mit PDMS Bottom Kurven:. Lastzeit-Beziehungen zwischen PDMS abnehmender Monomer zu Vernetzer-Verhältnisse zeigen die Fähigkeit der in situ-Ladeeinheit, um Unterschiede in den Materialeigenschaften zu erkennen. Top-Kurven, links und die Änderung in der Gegenreaktion des Systems zu veranschaulichen Recht durch Materialrückgewinnung. Die linken und rechten im Vergleich zeigen die gleiche Wirkung, was anzeigt, dass die Erholung Differenz von 1.25 bis 01.05 PDMS minimal oder nicht innerhalb derNachweisgrenzen der Ladevorrichtung. B) Kraft-Weg-Kurven für unterschiedliche Materialien wie starre Körper Aluminium, Versuchsmuster und der 3 PDMS Proben. Es ist die Steigung von 30% linearen Teil der Belastungskurve, die verwendet wurde, um die Steifigkeit des Materials zu berechnen. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.

Figur 5
5. X-ray virtuelle Schnitte von unteren zweiten Molaren für PDL Strukturerweiterung gefärbt. (A, B) Graustufenwerte in unbehandelten Molaren zeigen Röntgen Dämpfung von verschiedenen Geweben einschließlich der weicheren Regionen innerhalb des Komplexes. Jedoch wurden nonmineralized Gewebe wie PDL nicht aufgrund seiner m hervorgehobeninimal dämpfenden Eigenschaften der Röntgenenergie bei 75 kVp. (CF) Nach PTA Färbung der Dämpfungs-Kennlinien des weicheren PDL wurden verbessert und Details innerhalb des PDL wurden unter Verwendung eines Röntgenmikroskopie visualisiert. So ergab 2D virtuellen sagittalen (C-4-fache Vergrößerung, E-10-facher Vergrößerung) und Quer (D-4X Vergrößerung, F-10-facher Vergrößerung) Abschnitte PDL Faserorientierung (gelbe Pfeile). Das Lumen der Blutgefäße innerhalb endostalen Bereiche (orange Pfeile) und der PDL (weiße Pfeile) erscheinen als dunkle kreisförmige Strukturen, während die Pulpa Raum bleibt ungefärbt. Artefakte während der Färbung erstellt werden, auch darauf hingewiesen, (D, roten Sternchen). Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.

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6. Konzentrisch und exzentrisch geladen Proben. Top (A) und der Bodenplatte (B) veranschaulichen, Quick Time Filme von Zahn-Knochen-Verhältnis ohne Last und wenn bis 15 N, konzentrisch und exzentrisch bzw. geladen. Top-und Bodenplatte zu veranschaulichen Knochen-Zahn-Verein, wenn unbehandelt (A) und gefärbt (B) Bedingungen. Center-Leiste (C) zeigt verschiedene Last-Verformungs-Verhalten zwischen exzentrisch und konzentrisch (linke Kurven) geladen Komplexe und gefärbt und ungefärbt (Rechtskurven)-Komplexe. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.

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Abbildung 7. Sagittalschnitt des 2. Molaren zeigt die Zuordnung der Zahn mit der Alveole wenn konzentrisch (A) geladen und exzentrisch (B). Mehrheit der Kompression innerhalb interradikulären (Pfeilspitzen) und apikal (Pfeile) Regionen gesehen. Im Vergleich zu virtuellen Abschnitten des Zahns in exzentrischen Beladung (B), das zusätzliche Rotationskomponente der Zahnbewegung verursacht eine erhöhte Kompression auf der distalen Seite der mesialen Wurzel. Überlagerte Querschnitten zeigte distalen Übersetzung und Drehbewegung im Uhrzeigersinn des Zahnes (grün Wurzeln) relativ zu einem konzentrisch geladen Zahn (grau). Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.

Fig. 8 Figur 8. Rekonstruierten 3D-Filme zeigen eine verringerte PDL-Raum innerhalb der distalen Seite der Wurzel als exzentrisch angeordnet ist (E) im Vergleich zu einem konzentrisch geladen Komplex (D). Klicken Sie hier , um die exzentrische Belastung anzuzeigen, und klicken Sie hier , um eine konzentrische Belastung anzuzeigen.

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Discussion

Der erste Schritt bei der Schaffung dieses Protokoll beteiligt Bewertung der Steifigkeit der Laderahmen mit Hilfe eines starren Körpers. Basierend auf den Ergebnissen wurde die Steifigkeit signifikant höher, die die Verwendung der Ladevorrichtung zum weiteren Testen von Proben mit deutlich geringeren Steifigkeitswerte. Der zweite Schritt markiert die Fähigkeit des Instrumentes, um verschiedene Steifigkeitswerte unter Verwendung von zwei Phasen der Lade-Entlade-Kurve, die durch einen starren Körper, PDMS-Materialien unterschiedlicher Vernetzungsdichte und Faserverbindungen erzeugt unterscheiden. Die Steifigkeit von der Ladephase und während des Pushback spielPhase wurden verwendet, um die Widerstandsfähigkeit des Materials, um das Laden und Wiederherstellung des Materials nach dem Entladen zu identifizieren (Abbildungen 3 und 4). Die dritten und vierten Schritte des Protokolls wurden die Änderungen in der Last-Verschiebungskurven von der Ladevorrichtung zu der in situ-Bildgebung mit t getan erhalten korrelierener von Röntgenstrahlen (Abbildung 5) zu verwenden. Dies beinhaltete das Laden der Gelenke und Tomogramme ohne Last und Last, unter konzentrischen und exzentrischen Bedingungen sind. Das Protokoll gezeigt, dass durch Änderung der Ladeachse Unterschiede in den Niveaus von PDL-Kompression (6 und 7) markiert. In dieser Diskussion werden wir zunächst markieren Instrument Features und Herausforderungen, die angemessen verstanden und vor der biomechanischen Prüfung der Knochen-PDL-Zahn-Komplex eingehalten werden sollte.

Herausforderungen der Versuchsaufbau

Composite-Aufbau: Während das Protokoll selbst ist relativ einfach, gibt es mehrere Schritte, die mit großer Sorgfalt durchgeführt werden muss. Eine der größten Herausforderungen war es, zu den benachbarten Zähnen, die dann mechanisch mehrere Zähne verlinken sicherzustellen, dass überschüssige Verbundwerkstoff nicht falsch darstellen Lauf und die gemeinsame mechanics eines einzelnen Zahns. Da erhebliche manuelle Geschicklichkeit und die Kenntnis der zahnärztlichen Instrumente bewährt für dieses Verfahren ist, Vorbereitung von Proben für die Belastung in erster Linie durch Zahnärzte und Zahnmedizinstudenten mit Hilfe der optischen Vergrößerung durchgeführt.

Einheitliche Ladeschema: Ein weiteres wichtiges Detail für biomechanische Tests war es, eine einheitliche Laderegelung zu gewährleisten. Die Kontaktfläche zwischen der Klemmbacke des in-situ-Ladeeinrichtung und der gegenüberliegenden Oberfläche des Verbund erwies sich als sehr wichtig, um das Experiment. Dies liegt daran, Mechanik der Fasergelenk kann als ein Ergebnis der Kontaktfläche, die in dieser Studie mit konzentrischen und exzentrischen (unsymmetrisch) Belastungen simuliert ändern. Die in dieser Studie präsentierten Szenario nachahmt möglichen Veränderungen der Okklusion von Säugetierzähne, die in einer Änderung der Zahnbewegung in der Alveole (Fig. 5) führen kann. Während es verstanden that das vorgeschlagene Testmechanismus nicht imitieren physiologischen Kauen Zyklus präsentiert es sich als ein Standard-Testmethode. Durch die Schaffung eines zusammengesetzten Aufbau mit einer Oberfläche parallel zu der Backe der Ladestufe, waren wir in der Lage, eine einheitliche Lademuster zu erzeugen. Dieser Standard-Testverfahren verwendet werden, um Änderungen in der Biomechanik der Knochen-PDL-Zahn-Komplexe aus verschiedenen Versuchsgruppen zu identifizieren.

Empfindlichkeit der in situ-Ladevorrichtung: Das experimentelle Protokoll beschreibt Verfahren zur Validierung der Nachweisgrenze der in situ-Ladevorrichtung mit drei verschiedenen Proben, von denen zwei als Standardmaterialien berücksichtigt werden. Die Steifigkeit des Laderahmens, wenn sie mit Aluminium getestet wurde, war signifikant höher mit vernachlässigbaren Beitrag zur beobachteten mechanischen Verhaltens verschiedener PDMS Proben und biomechanische Antwort einer Faserverbindung. Während alle getesteten Proben hatten eine Gegenreaktion Zeitraum von~ 3 s, die Form der Flankenspiel Abschnitt leicht variiert (4A) mit der Art der Probe. Starre Proben wiesen einen starken Rückgang der reaktionären Last (3A und 4A), während weicher Proben nicht einen starken Rückgang (4A) aufweisen. Es kann argumentiert werden, dass der Unterschied in der spiel Verhalten wird auf die Fähigkeit der Probe wieder auf die Zahnräder im Getriebe Umkehr zu schieben zugeschrieben. Die Push-Back-Effekt auf die Zahnräder könnten in einen niedrigeren Rückgang der Spitzen reaktionäre Reaktion des Materials manifestiert sich der Kiefer beginnt, sich von der Probe zu bewegen. So kann das Spiel Segment genutzt werden, um Einblicke in Materialeigenschaft zu gewinnen. Steifigkeitswerte von PDMS aus Lastverschiebungskurven berechnet waren in Übereinstimmung mit Literaturwerten 22 und der Bereich der Steifigkeit für die vernetzten PDMS lag im Bereich des Knochen-PDL-Zahn-Komplex. Daher ist die in-situ-Beladung derät ist geeignet zur Messung der Verschiebung und reaktionäre Antwort der Zahn in die Alveole komprimiert wird. Die reaktionäre Antwort kann aus weicher und / oder härter Bestandteile sein. Die Dominanz der weicheren Bestandteile über die härter kann durch Laden inkrementell und Imaging identifiziert werden, gefolgt von digital Korrelation der keine Last zu Lastbedingungen zu Stamm-dominierten Regionen innerhalb der PDL-Knochen-Zahn-Komplex 13 zu identifizieren.

Hauptbestandteil des Kauens ist in axialer Richtung: Ähnlich wie bei Menschen, die Kauen Zyklus von Ratten beinhalten die freie Bewegung des Unterkiefers, Nahrung 23, 24 zu kauen. Während dieser Bewegung zugeordnet wurde, um viele verschiedene Richtungen, wie seitliche Bewegungen beinhalten, ist die Hauptkomponente der Last gedacht, um in der axialen Richtung 23 sein. Daher ist die in-situ-Belastung in axialer Richtung simuliert platziert entweder konzentrischly oder exzentrisch (Fig. 2).

Experimentelle Faktoren, die die Ergebnisse der Organebene Biomechanik Zusammenhang beeinflussen könnten: Der Vorteil der Kopplung Röntgenmikroskopie mit in situ Laden ist, dass die Last-Verschiebungs-Kurve kann auf die räumliche Zuordnung der Zahn mit der Alveole, Form der Wurzel korreliert werden und der alveoläre Oberfläche und der Verengung und Erweiterung des PDL-Raum unter Last. Die Korrelation und ergänzende Auswertung stellt einen ganzheitlichen Ansatz, um Organ Biomechanik bestimmen. In der Vergangenheit war es nur postuliert, dass die Mechanik eines Organs und / oder Gewebe können die Last-Verformungs-Verhalten auffordern. Dieses Protokoll veranschaulicht, dass der Verein der Bewegungselemente unter Last kann auch ein bestimmendes Merkmal der beobachteten Steifigkeit sein. Alle innerhalb der ersten 5-8 N beobachteten Veränderungen wird gedacht, um von der Qualität der PDL eine erste Konformationsänderung innerhalb der bracht werdenKollagen und interstitielle Flüssigkeitsaustausch mit minimalem Widerstand zu laden, diese Region als "uncrimping" Bereich 26 bezeichnet. Lasten höher als 7 N könnte durch Zahn-, Knochen-, die Kaltverfestigung Auswirkungen der Wurzelhaut und die Schnittstellen Befestigung der Gewebe beigetragen werden. Sobald die PDL-Raum minimiert und die PDL Verfestigung erfährt, Hartgewebe Wechselwirkungen zwischen Zahn-und Knochenbuchse entstehen an der Zwischenwurzelbereich, was zu einer steileren Steigung Last Hubraum. Zusätzlich zur Materialrückgewinnung kann das Spiel der Ladevorrichtung genutzt werden, um die viskoelastischen Eigenschaften der PDL, ohne die gemeinsamen wie in anderen Studien 16, 25 getan zu untersuchen.

Die allgemeinen Bereiche innerhalb der Lastverschiebungskurven korrelieren einige Ereignisse im Gelenk. Die oben genannten Veranstaltungen sind die gemeinsamen Nenner zwischen den beiden Ladesysteme. Die Unterschiedezwischen konzentrischen und exzentrischen Last-Verschiebungs-Profile und entsprechende Schnittbilder markiert den Einfluss der Lastrichtung auf die Gesamt Orgel Biomechanik. Die Hauptquelle dieser Unterschiede war die Einführung eines Zahnes Drehung versetzt, wie es innerhalb des Gelenks, wodurch die Kompression der PDL Räume in bestimmten Bereichen. Es versteht sich, daß die normale physiologische Belastungen auf den Zahn in mehrere Richtungen, einschließlich solche, die Rotationszahnbewegung einzuführen aufgebracht. Allerdings empfiehlt es sich, eine konzentrische Ladeschema als Standardladeschema aufgrund der Schwierigkeit der Anwendung einer "Standard" exzentrische Last auf alle Proben verwendet werden. Als solche diese experimentelle Protokoll kann verwendet werden, um biomechanischen Unterschiede zwischen angepasst und nonadapted Systeme unterscheiden.

Einer der Nachteile der Verwendung von höheren Energieröntgenstrahlen ist, daß sie minimal durch weichere Gewebe absorbiert und erzeugt unzureichenden Kontrast. Die PDL wird transpant, um Röntgenstrahlen und als Ergebnis erfordert die Verwendung von Kontrastmitteln. PTA verbessert die Kontraste von Weichteilen durch direkte Färbung 27-29 und damit für die Visualisierung mit Hilfe von Röntgenstrahlen. Somit kann durch die Verwendung von Kontrastmitteln, sichtbare Verformung innerhalb Buntweichgeweberegionen zwischen belasteten und unbelasteten Tomographien wurde beobachtet, jedoch höhere Vergrößerung (mindestens 10x) für die Analyse (Daten nicht gezeigt) empfohlen. Eine Begrenzung der Färbungsprotokoll beinhaltete die Verwendung von Ethanol, eine milde Fixiermittel 29, die die Steifigkeit der PDL und der Gesamtgelenkmechanik, die zu falschen Schlussfolgerungen geändert haben könnte.

FAZIT

Diese Studie unterstreicht eine neue Testprotokoll, das biomechanische Verhalten eines intakten Knochen-PDL-Zahn-Faser gemeinsame analysieren, aber unter ex vivo Bedingungen. Die beschriebene Versuchsmethode einschließlich Post Analysen der Daten können verwendet werden, um Effekte von Know messenexperimentellen Variablen (dh Krankheiten, Wachstumsfaktoren, Alter und therapeutischen Molekülen) auf die Mechanik des Knochen PDL-Zahnfaserverbindung. Darüber hinaus werden Ergebnisse aus diesen Versuchen als Grundlage für die Beziehungen zwischen den Variationen in der Makroskala Organebene können bestimmte Veränderungen an den Gewebe-und Zellebene bezogen werden dienen. Einschränkungen des Protokolls sind, Imaging unter ex-vivo-Bedingungen, die Verwendung von Kontrastmitteln, und der Verlust der räumlichen Genauigkeit zwischen den Flächen des Zahns und Alveole durch Entspannung Gewebe bei längeren Aufnahmezeiten für Tomogramm Generation erforderlich.

ZUSATZMATERIAL

Protokoll für Biomechanische Tests innerhalb von Molaren Oberkiefer:

1. Wenn Oberkiefer waren getestet werden soll, entfernen Sie den Oberkiefer von jeder Ratte Schädel mit dem ventralen (Gaumen) nach oben zeigt. Sever die Muskeln und Bänder aus Bindegewebeder lateralen Seite des Schädels durch einen Schnitt durch die Vorhalle (Tasche zwischen Zahnfleisch und Wange).

2. Tasten Sie und brechen die Jochfortsatz der Kieferknochen des Schädels und trennen Jochbogen von der Kieferknochen.

3. Schneiden Sie den Schädel gerade nach unten mit einem Paar von Groß Dissektion Schere durch das Gehirn ausgehend von den weichen Gaumen. Isolieren Sie die Vorderseite des Schädels und schälen die Kopfhaut von der dorsalen Seite (oben) des Schädels.

4. Mit einer feinen Schere Dissektion, trennen Sie die rechte und linke hemimaxillae durch einen Einschnitt, der eine gerade Linie durch die Mitte des harten Gaumens und der Interdentalbereich zwischen den Schneidezähnen folgt. Stellen Sie sicher, dass die Tiefe des Schnittes ist flach - nur tief genug, um den harten Gaumen stechen.

5. Isolieren hemimaxillae indem senkrecht (zur Längsachse des Schädels) Einschnitteanterior der ersten Molaren und hinter der dritten Molaren. 1) Seien Sie nicht zu eng an den ersten und dritten Molaren dafür könnte Wurzelstruktur stören geschnitten, 2) rippen Sie nicht weg die Umgebung alle drei Backenzähne das Zahnfleischgewebe. Trennen Sie die hemimaxillae aus dem Schädel durch Schneiden der dünnen Kieferknochen überlegen jeder hemimaxilla. Entfernen Sie überschüssiges Gewebe-und Knochen Nadeln.

Validierung der mechanischen Testgerät:

Um die Steifigkeit des Laderahmens und der Drift der Last / Verschiebungswandler zu bestimmen, mit einem steifen Körper, wie etwa Aluminium mit einem Elastizitätsmodul bei weitem höher als die von den experimentellen Proben.

Um festzustellen, ob das Gerät in der Lage zu differenzieren verschiedene Steifigkeitswerte Vertreter der weicheren Elemente, fabrizieren PDMS-Blöcke mit unterschiedlichen Vernetzungsdichten (1:5, 1:10, 1.25 Vernetzer auf Basis des Gewichts) und mit dem gleichen laden Sie dieseIn-situ-Ladevorrichtung.

Phasenkontrast-Modus zur Kontraststeigerung von weicheren Elemente: Kontrastverstärkung der PDL kann durch die Nutzung der Phasenkontrastmodus des Scanners erfolgen. Grundsätzlich Phasenkontrast nutzt Scanner Detektionsfähigkeiten eines Phasenverschiebung an den Kanten der Gewebe und bietet eine verbesserte strukturelle Detail. Als Ergebnis dieser Studie, die Lücken der cementocyte Lücken-und Osteozyten-Lücken erschien als Porositäten innerhalb jeweiliger mineralisierten Gewebe. Diese Strukturen wurden bereits in der Standard-Scan unter Absorptionsmodus unentdeckt. Schnittbilder erworben unter Übertragungsmodus für die Visualisierung von Strukturen innerhalb der negativen Raum, nämlich der PDL-Raum und endostalen Bereiche einschließlich der Havers-Kanal-System (für 3D-Modell siehe Abbildung S1) erlaubt. Zusätzliche Strukturen innerhalb der PDL-Raum können auch sichtbar gemacht werden, wie das Gefßsystem, die kontinuierlich mit dem in Knochen.

Äquilibriert Lasten Tomogramm Erfassung und Systemdrift:. Dieser Abschnitt kann am besten durch Bezugnahme auf ergänzende Fig. 2 erläutert S2A Abbildung zeigt die Notwendigkeit, Spitzenlast vor dem Erwerb Tomogramme äquilibrieren. Spitzenbelastungen immer zerfallen zu einem niedrigeren Betrag und das System sollte mindestens eine Stunde ins Gleichgewicht gebracht, bevor ein 6-8 Stunden Tomogramm erworben werden. Es ist zu beachten, dass das erworbene Schichtaufnahme ist nicht repräsentativ für die Knochen-Zahn-Verein an der Spitzenlast, sondern werden bei einer Belastung von 2 bis 3 N niedriger als die Spitzenlast. Zusätzlich wurde die Messsystems identifiziert Drift mit einem starren Aluminiumstutzen gefunden, um mit der Verschiebung Rate und / oder Spitzenlasten (Abbildung S2B und S2C) ändern. Angenähert Driftwerte reichten von + 1 N / Stunde.

Nach der mechanischen Prüfung, wurde eine Schichtaufnahme des Faser Joint ohne Last genommen, und einer Spitzenlast in einer gewünschten Verschiebungsgeschwindigkeit. Vor Erfassen eines Tomogramms, geladen unter Bedingungen sollte darauf geachtet werden, damit das System zu einem Gleichgewichts (Stabilität) wonach Abtastung gehen sollte kommen. Ähnliche Bedingungen wurden für exzentrisch belasteten und PTA gefärbten Komplexe wiederholt. Von der Schnittbilder wurden virtuelle Scheiben ohne Last Lastbedingungen, um Zahn-Knochenvereinigung sowohl in zwei und drei Dimensionen zu identifizieren.

STADT Abbildung 1. 3D-Rekonstruktion der negativen Raum mit Phasenkontrast verbesserte Röntgenmikroskopie. Unter Phasenkontrast-Anreicherungs die Phasenverschiebung, die an den Rändern der Gewebe auftritt wurde genutzt, um Blutgefäße innerhalb der PDL zu markieren. Insbesondere Absorptionsmodus (links) markiert mineralisierten Geweben innerhalb des Sichtfeldes, während die Übertragungsmodus (rechts) markiert die Blutgefäße innerhalb der PDL-Raum als auch die endostalen Plätze.

Zelt "> STADT Abbildung 2. Decay Spitzen reaktionären Kräfte zu einem Gleichgewichtszustand vor der CT-Scan. Kurven zeigen unterschiedliche Zerfallsraten der reaktionäre Antwort eines Faser Joint (oben) und ein starrer Körper (unten).

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgements

Die Autoren erkennen an finanzieller Unterstützung NIH / NIDCR R00DE018212 (SPH), NIH/NIDCR-R01DE022032 (SPH), NIH / NIDCR T32 DE07306 (AJ, JDL), NIH / NCRR S10RR026645, (SPH) und die Abteilung für Präventive und Restaurative Zahnwissenschaften und Orofacial Wissenschaften, UCSF. Darüber hinaus sind die Autoren erkennen Xradia Graduate Fellowship (AJ), Xradia Inc., Pleasanton, CA.

Die Autoren danken Dr. Kathryn Grand, UCSF für ihre Unterstützung bei der Nachbearbeitung von Daten; Drs. Stephen Weiner und Gili Naveh, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel, Dr. Ron Shahar, The Hebrew University of Jerusalem, Israel für ihre speziell für die in-situ-Ladevorrichtung aufschlussreiche Diskussionen. Die Autoren möchten auch Biomaterialien und Bioengineering MicroCT Imaging Facility an der UCSF für den Einsatz von Mikro-XCT-und in-situ-Ladevorrichtung danken.

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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