In situ à la compression de chargement et d'imagerie non invasive corrélative de l'os-ligament parodontal-dent Fort commune

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

Dans cette étude, l'utilisation d'un dispositif de chargement in situ couplée à la tomographie micro-ordinateur à rayons X pour la biomécanique articulaire fibreux en sera discuté. Lectures expérimentales identifiables avec un changement global de la biomécanique articulaire seront les suivants: 1) les forces réactionnaires en fonction du déplacement, c'est-dent déplacement dans l'alvéole et sa réponse réactionnaire à charge, 2) en trois dimensions (3D) configuration spatiale et morphométriques, soit géométrique relation de la dent avec l'alvéole, et 3) les changements dans les affichages 1 et 2 en raison d'un changement dans l'axe de chargement, c'est à dire les charges concentriques ou excentriques.

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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

Cette étude démontre un protocole de test de nouveaux biomécanique. L'avantage de ce protocole comprend l'utilisation d'un dispositif de chargement in situ couplée à un microscope à haute résolution des rayons X dans, permettant ainsi la visualisation des éléments structurels internes au titre des charges physiologiques simulées et des conditions humides. Échantillons expérimentaux comprendront intact ligament à l'os parodontal (PDL)-dent articulations fibreuses. Résultats illustrent trois aspects importants du protocole car ils peuvent être appliqués à la biomécanique au niveau d'organes: 1) la force réactionnaire en fonction du déplacement: dent déplacement dans l'alvéole et sa réponse réactionnaire à charge, 2) en trois dimensions (3D) configuration spatiale et morphométriques: la relation géométrique de la dent avec l'alvéole, et 3) les changements dans les affichages 1 et 2 en raison d'un changement dans l'axe de chargement, c'est à dire à partir de concentrique aux charges excentrées. L'efficacité du protocole proposé sera évaluée en couplant te mécaniquepiqûre lectures à la morphométrie 3D et de la biomécanique ensemble de la commune. En outre, cette technique mettra l'accent sur la nécessité d'équilibrer les conditions expérimentales, des charges particulièrement réactionnaires avant d'acquérir des tomographies de joints fibreux. Il convient de noter que le protocole proposé est limité à l'analyse des échantillons sous des conditions ex vivo, et que l'utilisation d'agents de contraste pour visualiser les tissus mous réponse mécanique pourrait conduire à des conclusions erronées sur la biomécanique des tissus et au niveau des organes.

Introduction

Plusieurs méthodes expérimentales continuent d'être utilisés pour étudier la biomécanique de diarthroses et fibreux. Les méthodes spécifiques pour la biomécanique d'organes de dents comprennent l'utilisation de jauges de contrainte de 1 à 3, les méthodes de photoélasticité 4, 5, l'interférométrie de moiré 6, 7, électronique mouchetis interférométrie 8, et de la corrélation d'images numériques (DIC) 9-14. Dans cette étude, l'approche novatrice comprend imagerie non invasive utilisant des rayons X d'exposer les structures internes d'un joint fibreux (tissus minéralisés et de leurs interfaces, comprenant des zones plus doux, et l'interfaçage des tissus tels que les ligaments) à des charges équivalentes à des conditions in vivo. Un dispositif de chargement in situ dans un microscope couplé à micro-rayons X est utilisé. Le temps de charge et courbes charge-déplacement seront recueillies que la molaire d'intérêt au sein d'un hémi-mandibule rat fraîchement récolté est chargé. Le main objectif de l'approche présentée dans cette étude est de mettre l'accent sur l'effet de la morphologie tridimensionnelle de la dent à l'os en comparant les conditions à: 1) pas de charge et lorsqu'il est chargé, et quand 2) concentrique et de façon excentrée. Éliminant ainsi la nécessité pour les spécimens coupés, et de réaliser des expériences sur les organes entières intactes dans des conditions humides permettra de préserver au maximum de l'état de contrainte 3D. Cela ouvre un nouveau champ d'investigation dans la compréhension des processus dynamiques du complexe sous différents scénarios de chargement.

Dans cette étude, les méthodes de test biomécanique de PDL au sein d'une joint fibreux intact d'un rat Sprague Dawley, une collaboration considérée comme un système modèle de la bio-ingénierie optimale seront détaillées. Expériences comprennent la simulation de charges de mastication dans des conditions hydratées afin de mettre en évidence trois caractéristiques importantes de la commune en ce qui concerne à la biomécanique au niveau des organes. Les trois points seront les suivants: 1) les forces réactionnaires en fonction du déplacement:dent déplacement dans l'alvéole et sa réponse réactionnaire à charge, 2) en trois dimensions (3D) configuration spatiale et morphométriques: relation géométrique de la dent avec l'alvéole, et 3) les changements dans les affichages 1 et 2 en raison d'un changement de axe de chargement, c'est à dire à partir de concentrique aux charges excentrées. Les trois lectures fondamentaux de la technique proposée peut être appliquée pour étudier la nature adaptative des articulations chez les vertébrés, soit en raison de changements dans les demandes fonctionnelles et / ou de la maladie. Changements dans les affichages mentionnés ci-dessus, en particulier la corrélation entre les charges réactionnaires de déplacement, et résultant courbes réactionnaires charge à temps et charge-déplacement à différents taux de charge peuvent être appliquées pour mettre en évidence les changements globaux dans la biomécanique articulaire. L'efficacité du protocole proposé sera évaluée en couplant lectures d'essais mécaniques de morphométrie 3D et de la biomécanique ensemble de la commune.

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Protocol

Logement des animaux et de l'euthanasie: Tous les animaux utilisés à cette manifestation ont été logés dans des conditions exemptes d'agents pathogènes, conformément aux lignes directrices de l'entretien et l'utilisation des animaux Commission institutionnelle (IACUC) et l'Institut national de la santé (NIH).

Offrir aux animaux pour rats dur culot standard et de l'eau ad lib. Euthanasier les animaux par une méthode en deux étapes de dioxyde de carbone asphyxie, thoracotomie bilatérale en conformité avec le protocole standard de l'UCSF approuvé par IACUC. Effectuer des tests biomécaniques dans les 24 heures de sacrifice d'animaux pour éviter la dégradation des tissus.

Une. Préparation et Dissection d'une mandibule ou maxillaire Rat

  1. Retirer mandibules de rat en coupant délicatement les pièces jointes de tissus et de tissus musculaire membraneuses tout en préservant l'ensemble mandibule, y compris le processus coronoïde et le condyle (figure 1) 15.
  2. Hemimandibles séparés en voitureefully couper le tissu fibreux de la symphyse mandibulaire avec une lame de scalpel.
    Remarque: Les processus coronaires et condyliennes et branche de la mandibule (figure 1) devraient être supprimés s'ils gênent physiquement tests biomécaniques de la 2 ème molaire.
  3. Couper les incisives sans exposer la chambre pulpaire à ne pas gêner le chargement de la molaire.

2. Préparation des échantillons in situ pour la compression chargement (Figure 2)

  1. Immobiliser l'échantillon sur un talon de l'acier en utilisant un matériau qui est sensiblement plus rigide que les échantillons expérimentaux avant de le charger dans un dispositif de chargement in situ (Figure 2A) dans.
    Remarque: polyméthacrylate de méthyle (PMMA) a été utilisé pour immobiliser l'échantillon de cette étude et l'excès, le cas échéant, a été éliminé en utilisant un explorateur dentaire.
  2. Aligner la surface occlusale de la molaire (s) d'intérêt parallèlement à la platine métallique AFM aide d'une règle à la foisplans (c.-à-mésiodistale et bucco-lingual).
  3. Créer un creux avec un objet contondant entourant les molaires.
    Note: Cet espace doit servir de "fossé" pour contenir le liquide en excès et maintenir l'hydratation des tissus pendant le chargement in situ.
  4. Préparer la surface de la dent à s'accumuler pour concentrique (figure 2B) ou excentrique (figure 2C) en utilisant un chargement composite dentaire. Graver la surface de la dent d'intérêt avec un gel d'acide phosphorique à 35% sur la surface de mastication pendant 15 s.
  5. Rincer l'agent de gravure à l'eau désionisée et sécher la surface à l'aide d'une seringue air / eau ou une cartouche à air comprimé. Avec un explorateur, répandre une goutte de l'agent de liaison en pointes ouvertes dans une couche mince. Traiter le composite avec une lampe à polymériser dentaire.
    Remarque: Toutes les étapes impliquant composites devraient être exécutées sans lumière directe d'une lampe. Ces conditions non souhaitable d'accélérer le processus de polymérisation, et could empêcher le positionnement correct du composite. éclairage de la pièce est acceptable.
  6. Éliminer l'agent de liaison en excès de dents adjacentes avec un scalpel amende ou une lame de rasoir.
  7. Placez composite dentaire fluide sur la surface suite à la préparation de la surface et l'étaler dans les rainures de la molaire (s) d'intérêt en utilisant un explorateur dentaire.
  8. Exposer le composite à la lumière de durcissement dentaire pendant 30 secondes.
  9. Mouler une accumulation d'occlusion de l'ordre de 4.3 mm en utilisant une résine composite dentaire, à partir du plan d'occlusion de la molaire (s) d'intérêt et photopolymériser pendant 30 sec.
  10. Réduire le haut de l'accumulation composite sur une surface plane parallèle pour permettre un système de chargement uniforme dans tous les échantillons à l'aide d'une règle et une pièce à main haute vitesse.
    Remarque: Lors de tests biomécaniques, d'autres échantillons doivent être stockés dans tris-solution tamponnée au phosphate (SCT) avec 50 mg / ml de pénicilline, la streptomycine et 15.

3. Chargement dérive de l'appareil etRigidité, Matériel propriété de différenciation des capacités, in situ Chargement de la commune Fort

  1. Fixer le spécimen avec l'accumulation de synthèse sur l'enclume de l'étage de chargement, et le test de charge uniforme comme le montre la figure 2B.
  2. Placez un papier à articuler sur la surface du composite suivi d'un chargement de l'échantillon à une charge finie pour vérifier le chargement concentrique ou excentrique (figures 2B et 2C).
  3. Placez Kimwipe SCT trempé dans l'échantillon pour assurer spécimen hydratation. Faire un creux autour de l'échantillon et de le remplir avec le SCT pour maintenir l'organe hydraté pendant l'imagerie.
  4. une pointe de charge d'entrée et la vitesse de déplacement dans le logiciel Deben pour comprimer la molaire à une charge de crête souhaité à une vitesse de déplacement suivant l'immobilisation du hemimandible.
    Remarque: lectures typiques devraient inclure une charge réactionnaire que le matériau est comprimé au cours du temps (sensibilité du capteur de charge = 0,1N). De charge-temps et le déplacement en temps, une courbe charge-déplacement pour le matériau comprimé doit être obtenu 16-18. En utilisant les données recueillies à partir des cycles de chargement, diverses propriétés du joint peuvent également être déterminés. La raideur de l'articulation doit être calculée en prenant la pente de la partie linéaire (environ le dernier 30% de données) de la phase de chargement de la charge en fonction de la courbe de déplacement 19.

4. La coloration des tissus mous, le PDL, avec de l'acide phosphotungstique (PTA)

Remarque: Pour améliorer X-ray atténuation revanche, le PDL doit être coloré avec une solution de PTA de 5% 20.

  1. Solution de coloration remblai PTA dans un récipient propre de 1,8 ml de cartouche en verre et placer de cartouche chargée dans la seringue.
  2. Injecter la solution lentement (5 min / de cartouche) dans l'espace PDL des dents adjacentes pour empêcher des dommages structurels aux tissus parodontaux molaire d'intérêt environnants.
    Remarque: Les étapes ci-dessus devraient be répété jusqu'à environ 5 carpules plein (9 ml) de solution sont injectés et autorisé à circuler dans les tissus environnants. Les spécimens prepped peuvent également être trempées pendant une nuit dans la solution d'ATP restant (8 h).

5. Paramètres de numérisation μ-XCT recommandés

Effectuer m-XCT avec les paramètres de numérisation suivants:

Grossissement de l'objectif 4X, 10X
1800 images
X-ray tension du tube 75 kV (50 kV pour les échantillons de la ZEP souillé)
8 W
Temps d'exposition ~ 8-25 sec *
~ 4 pm (objectif 4X), ~ 2 pm (objectif 10X) **

* Le temps d'exposition peut varier en fonction de la géométrie et de la densité optique de l'échantillon et de tube à rayons X voltage.
** Pixels de résolution réelle sera légèrement différer en fonction de la configuration de la source, l'échantillon, et le détecteur.

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Representative Results

Estimation de la charge dispositif "jeu", "refoulement", la raideur et la dérive du système sous une charge constante

Backlash: Entre chargement et de déchargement des parties du cycle, il existe une pause de 3 sec au cours de laquelle se prépare inverse dans le moteur avant le déchargement commence vrai, à savoir que l'échantillon s'éloigne de la mâchoire supérieure (Figure 3). Cette période est appelée une réaction dans le système, ce qui représente un segment de temps lorsque le système essaie de passer de la fermeture à l'ouverture des mâchoires. Il convient de noter que tous les cycles de charge contiennent une réponse de réaction similaire quel que soit l'échantillon ou les conditions de chargement (figure 4). Une charge normale contre la courbe de temps obtenu en utilisant un corps rigide est représenté sur les figures 3A et 3B soulignant le chargement, le déchargement et régions à jeu à deux l autreserments de 6 N et 16 N. Une charge normale vs courbe de déplacement en soulignant les trois segments correspondants sont présentés dans la figure 3C.

Refoulement: Alors que toutes les périodes de jeu réduit apparaissent dans le même 3 sec délai, la réponse réactionnaire et par conséquent, la forme de la région jeu pourrait changer en fonction de l'échantillon. En testant le système à l'aide d'un corps rigide (figure 3), la chute la plus forte et la plus élevée de la charge réactionnaire a été observée en comparaison avec le complexe de l'os-PDL-dent et polydimethlysiloxane (PDMS). Cependant, l'articulation fibreuse illustré une baisse significative de la charge lors de la phase réactionnaire jeu par rapport à PDMS. PDMS (Figure 4) échantillons ont semblé avoir la moindre goutte (pas de différence entre les 01:05 et 01:25 reticulation densités - Figure 4A).

Rigidité: rigidité du dispositif de chargement lors d'un essai against corps rigide était significativement plus élevée que celle des échantillons complexes et PDMS. Ces données valident l'efficacité du dispositif de chargement de mettre en évidence des changements dans la biomécanique du complexe os-PDL-dent et les matériaux tendres (figure 4B).

Visualisation des structures de tissus mous et durs dans le complexe os-PDL-dent intacte utilisant μ-XCT: Dans un joint fibreux sans tache, mais hydratée, une atténuation de caractéristiques des tissus durs, y compris l'os alvéolaire, cément, émail et la dentine ont été mis en évidence (figures 5A et 5B). Cependant, les espaces qui contenaient tissus organiques principalement douces étaient transparents aux rayons X, en laissant l'espace PDL relativement "vide" (noir). Les échantillons traités avec la ZEP ont montré augmenter le contraste dans l'espace PDL, mettant ainsi en évidence les caractéristiques représentant du PDL et tissus gingivaux (figures 5C-F). Numérisation à un Magnific plusation PDL révélé comme un réseau fibreux entre la dent et l'os.

Force réactionnaire en fonction du déplacement: réponse biomécanique de l'articulation fibreuse pendant le chargement in situ: En comparaison avec le chargement concentrique, modèle de chargement excentrique sur un échantillon similaires ont montré une augmentation des déplacements de la dent dans l'articulation pour une charge donnée réactionnaire (figure 6A). Cependant, pour des joints fibreux traités avec PTA aucune différence significative dans la biomécanique globaux ont été observés indépendamment de l'état de chargement (Figure 6B). Dans le système non traitée mais excentrée, le déplacement accru de la racine dans l'alvéole peut être corrélée à la rigidité inférieure comme on le voit dans les courbes charge-déplacement (Figure 6C). Bien qu'il pourrait y avoir un écart naturel menant à un éventail de réponses biomécaniques des articulations fibreuses récoltés dans les groupes de contrôle, PTA-traitée fibreuxjoints présentaient une rigidité accrue et moins déplacés dans la douille par rapport à leurs homologues non traités pour une charge de pointe réactionnaire donnée. Cependant, il n'y avait aucun changement détectable dans la forme ou la durée de la phase retour de bâton du cycle de charge entre les spécimens traités non traités et PTA.

Configuration et morphométriques spatiale en trois dimensions: la cartographie de la configuration os-dent sous des conditions de charge en utilisant μ-XCT: tranches virtuelles prises de tomographies ont été comparés pour illustrer 1) le mouvement des dents dans la douille, 2) association dent d'os à la fois en 2D et 3D , 3) la mesure de mouvement grâce à excentrique par rapport à une charge concentrique. mouvement dentaire a été mis en évidence par la superposition de tranches virtuelles similaires à vide et à charge et génératrices de films gif. Bien que les deux systèmes de chargement causé la dent à déplacer verticalement à l'intérieur de l'articulation, une configuration de chargement excentrique (figures 7B et 7C) caused un effet de rotation supplémentaire de la dent avec les racines de rotation de manière distale entraînant une diminution de l'espace PDL le long des côtés distaux des racines par rapport à des balayages concentriques de chargement (figures 7 et 8). Bien que la PDL de PTA-souillé est plus atténuation (figure 5), le mouvement de la dent à l'intérieur de la douille dans les alvéoles PTA traité était moins prononcée des articulations et en corrélation avec les données biomécaniques (Figures 6B et 6C).

Figure 1
Figure 1. Une adapté 15 illustration des emplacements clefs lors de la préparation de la hemimandible pour tests biomécaniques. Montré dans le médaillon est un hemimandible.


Figure 2. Configuration d'une unité de chargement en in situ et le système μ-XCT. (A) Une image d'un dispositif de chargement in situ sur un support personnalisé dans le micro-X-ray tomodensitométrie (μ-XCT) unité. Concentrique (B) et les conditions (C) de chargement excentrique déterminées par le type de contact entre l'enclume et la surface du composite sont illustrés sous forme de schéma, et les montages expérimentaux correspondants (région correspond à celui mis en évidence par la zone blanche dans (A ) respectivement. marques d'articuler papier confirmer la zone de contact entre l'enclume et le composite dentaire. Cliquez ici pour agrandir l'image. </ A>

Figure 3
Figure 3. Courbe représentant la charge à temps illustrant système "jeu". Charge en fonction du temps en utilisant un corps rigide illustre période jeu comme un événement entre la fermeture et l'ouverture des enclumes. La région verte indique la période de chargement où enclumes approchent (région verte) pour charger un corps rigide à 15 N (A) et 5 N (B, encadré). La région bleue indique une phase de déchargement, où les enclumes se rétractent l'une de l'autre. Cependant, en raison de l'absence de réponse instantané du moteur en raison du temps pris par l'inversion de vitesse, il se trouve un temps de retour des cils de ~ 3 sec. Pendant ce temps, la charge diminue par environ 2 N, avant le déchargement se produit vrai. Chargement et déchargement des événements peuvent être liés à charger vs graphique de déplacements (C) qui montre le déplacement minimal pendant la période contrecoup. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 4
Figure 4. Courbes charge-déplacement représentatifs et effet de «refoulement» à l'aide des courbes de fond PDMS. Relations charge-temps entre PDMS de la baisse des ratios monomère de réticulation révèlent la capacité de l'unité de chargement dans in situ pour détecter des différences dans les propriétés des matériaux. Top courbes, à gauche et à droite illustrent le changement de jeu du système en raison de la récupération des matériaux. La gauche et à droite par rapport illustrent le même effet, ce qui indique que la différence de récupération 1:25-1:05 PDMS est minime ou non au sein de lales limites de détection du dispositif de chargement. B) Les courbes charge-déplacement pour divers matériaux, y compris l'aluminium du corps rigide, échantillon de laboratoire, et les trois échantillons PDMS. Il est la pente de la partie linéaire de 30% de la courbe de charge qui a été utilisée pour calculer la rigidité de la matière. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 5
Figure 5. Sections virtuelles X-ray de deuxièmes molaires mandibulaires colorées pour PDL structure de mise en valeur. (A, B) des valeurs d'échelle gris dans molaires non traités indiquent atténuation des rayons X de divers tissus, y compris les régions plus douces au sein du complexe. Cependant, les tissus non minéralisées telles que PDL n'ont pas été mis en évidence en raison de sa minimal atténuer caractéristiques de l'énergie des rayons X à 75 kV. (CF) Après PTA tacher les caractéristiques d'atténuation du PDL douce ont été améliorés et détails dans la PDL ont été visualisées en utilisant un microscope à rayons X. Ainsi, sagittal 2D virtuel (C-grossissement 4X, E-10x) et transversales (D-grossissement 4X, F-10x) sections révélé PDL orientation des fibres (flèches jaunes). La lumière des vaisseaux sanguins à l'intérieur des espaces de endostéales (flèches oranges) et le PDL (flèches blanches) apparaissent comme des structures circulaires sombres, tandis que l'espace pulpaire reste sans tache. Artefacts créés au cours de la procédure de coloration sont également notées (D, astérisques rouges). Cliquez ici pour agrandir l'image.

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Figure 6. Spécimens concentrique et de façon excentrée. Haut (A) et panneaux de fond (B) illustrent des films de temps rapides de relation dent-os à vide et lorsqu'il est chargé à 15 N, concentrique et excentrée respectivement. Panneaux supérieur et inférieur illustrent association os-dent lorsque (B) les conditions non traitées (A) et colorées. panneau de centre (C) illustre les différents comportements de déplacement de la charge entre excentrée et concentrique (courbes de gauche) complexes chargés et colorées et non colorées (courbes à droite) complexes. Cliquez ici pour agrandir l'image.

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Figure 7. Sagittale section de 2 ème molaire illustre l'association de la dent avec l'alvéole lorsqu'il est chargé de façon concentrique (A) et de manière excentrique (B). Majorité de compression a été vu dans interradiculaire (têtes de flèches) et apicaux (flèches) régions. Par rapport aux sections virtuelles de la dent à la charge excentrique (B), la composante de rotation supplémentaire des causes de mouvement de la dent à la compression augmentée du côté distal de la racine mésiale. Sections transversales superposées révélé traduction distale et le mouvement de rotation dans le sens horaire de la dent (racines vertes) par rapport à une dent concentrique chargé (gris). Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 8 Figure 8. Films 3D reconstruite révèlent une diminution PDL-espace à l'intérieur de la partie distale de la racine lorsque placé de façon excentrée (e) par rapport à un complexe chargé de manière concentrique (D). Cliquez ici pour voir le chargement excentrique et cliquez ici pour voir le chargement concentrique.

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Discussion

La première étape dans l'établissement de ce protocole a consisté à évaluer la rigidité du cadre de chargement à l'aide d'un corps rigide. D'après les résultats, la rigidité était significativement plus élevée permettant l'utilisation du dispositif de chargement pour un test supplémentaire d'échantillons avec des valeurs de rigidité nettement plus faibles. La deuxième étape a mis en évidence la capacité de l'instrument de distinguer différentes valeurs de rigidité à l'aide de deux phases de la courbe de chargement-déchargement générées par l'utilisation d'un corps rigide, de matériaux PDMS de différentes densités de réticulation, et des joints fibreux. La rigidité de la phase de chargement et de refoulement au cours de la phase de réaction ont été utilisés pour identifier la résistance du matériau de chargement et de récupération de la matière après le déchargement (figures 3 et 4). Les troisième et quatrième étapes du protocole sont de corréler les changements dans les courbes charge-déplacement obtenues à partir du dispositif de chargement à l'imagerie in situ fait avec til utilise des rayons X (figure 5). Il s'agissait de charger les articulations et obtenir des tomographies à vide et charge, dans des conditions concentriques et excentriques respectivement. Le protocole a démontré que, en changeant l'axe différences de chargement dans les niveaux de PDL-compression peut être mis en évidence (figures 6 et 7). Dans cette discussion, nous allons d'abord mettre en évidence les caractéristiques et les défis qui doivent être suffisamment bien comprises et respectées avant le test biomécanique du complexe os-PDL-dent instrument.

Les défis de la configuration expérimentale

Accumulation composite: Bien que le protocole lui-même est relativement simple, il ya plusieurs étapes qui doivent être faites avec beaucoup de soin. Un des plus grands défis était de faire en sorte que l'excès de matériau composite fait pas déborder sur les dents adjacentes, qui serait ensuite relier mécaniquement plusieurs dents et de déformer la méca communeci d'une seule dent. Depuis dextérité manuelle importante et la connaissance des outils dentaires se sont révélés utiles pour cette procédure, la préparation des échantillons pour le chargement a été principalement réalisée par les étudiants et les dentistes avec l'aide de grossissement optique.

Conformément système de chargement: Un autre détail important pour les tests biomécaniques était d'assurer un système de chargement compatible. La zone de contact entre la mâchoire du dispositif de chargement en in situ et la surface opposée du matériau composite s'est avéré être très important pour l'expérience. C'est parce que la mécanique de l'articulation fibreuse peuvent changer à la suite de la zone de contact, qui a été simulé dans cette étude à l'aide de charges (asymétriques) concentriques et excentriques. Le scénario présenté dans cette étude imite éventuelles modifications de l'occlusion des dents de mammifères, ce qui pourrait entraîner un changement dans le mouvement des dents à l'intérieur de l'alvéole (Figure 5). Bien qu'il soit entendu that le mécanisme de contrôle proposé ne reproduit pas le cycle de mastication physiologique, il se présente comme une méthode de test standard. En créant un habillage composite avec une surface parallèle à la mâchoire de l'étage de chargement, nous avons été en mesure de générer un motif de chargement constante. Cette méthode d'essai standard peut être utilisée pour identifier des changements dans la biomécanique de l'os-complexes PDL-dent à partir de différents groupes expérimentaux.

Sensibilité du dispositif dans de chargement in situ: Le protocole expérimental décrit les méthodes de validation des limites de détection du dispositif de chargement in situ en utilisant trois échantillons différents, dont deux peuvent être considérés comme des matériaux standard dans. La rigidité du cadre de chargement lors d'un essai avec de l'aluminium était significativement plus élevée avec une contribution négligeable au comportement mécanique observé de divers échantillons de PDMS, et la réponse biomécanique d'un joint fibreux. Alors que tous les échantillons testés ont une période de jeu~ 3 sec, la forme de la partie de réaction varie légèrement (figure 4A) avec le type d'échantillon. Spécimens rigides exposés à une forte diminution de la charge réactionnaire (figures 3A et 4A), tandis que les spécimens tendres ne présentent pas une forte diminution (figure 4A). On peut faire valoir que la différence de comportement jeu est attribuée à la capacité de l'échantillon à repousser sur les engrenages lors de l'inversion de vitesse. L'effet de retour de pression sur les engrenages pourrait se manifester par une baisse plus faible dans le pic réponse réactionnaire de la matière que la mâchoire commence à s'éloigner de l'échantillon. Ainsi, le segment de jeu peut être exploitée afin de mieux comprendre à la propriété matérielle. valeurs de rigidité de PDMS calculées à partir des courbes de déplacement de charge sont en accord avec les valeurs littérature 22, et la gamme de rigidité pour les PDMS réticulé est dans la plage du complexe os-PDL-dent. Par conséquent, le chargement in situ à dériphérique est adapté pour mesurer le déplacement et la réponse réactionnaire de la dent lors de sa compression dans l'alvéole. La réponse réactionnaire peut être des électeurs douces et / ou dures. La prédominance du constituant plus mou au-dessus de la plus dure peut être identifié par imagerie et de chargement de façon incrémentielle, puis en mettant en corrélation numériquement l'absence de charge à des conditions de charge pour identifier les régions de déformation à prédominance au sein du complexe os-PDL-dent 13.

Composante principale de la mastication est dans la direction axiale: Semblables aux humains, le cycle de mastication de rats impliquer le mouvement libre de la mandibule à mâcher des aliments 23, 24. Bien que cette motion a été cartographiée pour inclure de nombreuses directions différentes, tels que les mouvements latéraux, la principale composante de la charge est pensé pour être dans la direction axiale 23. Par conséquent, la charge simulée dans situ en direction axiale ont été placées soit concentriquely ou de façon excentrée (figure 2).

Facteurs expérimentaux qui pourraient affecter les résultats liés à la biomécanique au niveau d'organes: L'avantage de coupler la microscopie à rayons X avec le chargement in situ est que la courbe de charge-déplacement peut être corrélée à l'association spatiale de la dent avec l'alvéole, la forme de la racine et la surface alvéolaire, et le rétrécissement et l'élargissement de l'espace PDL en charge. La corrélation et l'évaluation complémentaire fournit une approche holistique afin de déterminer la biomécanique d'organes. Dans le passé, il a été seulement postulé que la mécanique d'un organe et / ou tissus peuvent inciter le comportement charge-déplacement. Ce protocole a démontré que l'association des éléments mobiles lorsque sous charge peut également être une caractéristique de rigidité observée. Tous les changements observés dans le premier 5-8 N est pensé pour être contribué par la qualité de la PDL un changement de conformation de départ dans lecollagène et d'échange liquide interstitiel avec un minimum de résistance à charger; cette région a été désigné comme la région "texturation" 26. Charges supérieures à 7 N pourraient être apportés par dent, l'os, les effets de déformation durcissement du ligament parodontal, et les interfaces de fixation des tissus. Une fois que l'espace-PDL est minimisée et que la PDL subit un écrouissage, les interactions entre les tissus durs de la dent et la douille osseuse se pose à la région interradiculaire résultant en une plus forte charge au déplacement pente. En plus de la récupération de matériaux, la réaction de l'appareil de chargement peut être exploitée pour étudier la nature viscoélastique du PDL sans altérer la commune comme cela a été fait dans d'autres études 16, 25.

Les régions concernées, dans les courbes de déplacement de charge en corrélation avec des événements au sein de la commune. Les événements ci-dessus sont les dénominateurs communs entre les deux systèmes de chargement. Cependant, les différencesentre les profils charge-déplacement concentriques et excentriques et tomographies correspondants mis en évidence l'influence de la direction de la charge sur la biomécanique ensemble d'organes. La principale source de ces différences a été l'introduction d'une rotation de la dent qu'elle déplace dans l'articulation, provoquant la compression des espaces PDL à des domaines spécifiques. Il est entendu que les charges physiologiques normales sont appliquées sur la dent dans plusieurs directions, y compris ceux qui présentent un mouvement de rotation de la dent. Cependant, il est recommandé qu'un système de chargement concentrique être utilisé comme un système standard de chargement en raison de la difficulté d'appliquer une charge excentrique "standard" dans tous les échantillons. Comme telle, cette protocole expérimental peut être utilisé pour différencier les différences biomécaniques entre les systèmes adaptés et nonadapted.

L'un des inconvénients de l'utilisation de rayons X d'énergie plus élevés, c'est qu'ils sont très peu absorbés par les tissus doux et produits de contraste insuffisant. Le PDL est transparent à des rayons X et par conséquent nécessite l'utilisation d'agents de contraste. PTA améliore les contrastes des tissus mous par coloration directe 27-29 et permettant une visualisation à l'aide de rayons X. Par conséquent, en utilisant les agents de contraste, une déformation visible dans les régions colorées des tissus mous entre tomographies charge et de décharge a été observé; toutefois grossissement plus élevé (au moins 10X) est recommandé pour l'analyse (données non présentées). Une limitation du protocole de coloration comprenait l'utilisation de l'éthanol, un fixateur doux 29 qui auraient pu modifier la rigidité du PDL et de la mécanique conjointes globales menant à des conclusions erronées.

CONCLUSIONS

Cette étude met en évidence un protocole d'essai de roman pour analyser la réponse biomécanique d'un os-PDL-dent joint fibreux intact, mais sous des conditions ex vivo. La méthode expérimentale décrite y compris des analyses de poste de données peut être utilisée pour mesurer les effets de experles variables imental (c.-à-maladie, les facteurs de croissance, l'âge, et des molécules thérapeutiques) sur la mécanique de l'os-PDL-dent joint fibreux. En outre, les résultats de ces expériences serviront de base de référence pour laquelle les relations entre les variations au niveau de l'organe macroscopique peuvent être liés à des changements spécifiques au niveau des tissus et cellulaires. Limites du protocole comprennent, en vertu de l'imagerie ex vivo, l'utilisation d'agents de contraste, et la perte de la précision spatiale entre les surfaces de la dent et l'alvéole dentaire due à la relaxation des tissus pendant de plus longues durées d'acquisition nécessaires pour la génération de tomogramme.

MATÉRIEL SUPPLÉMENTAIRE

Protocole pour les tests biomécaniques des molaires maxillaires dans:

Une. Si maxillaires sont à tester, retirez le maxillaire de chaque crâne de rat avec la face ventrale (sur le toit de la bouche) vers le haut. Couper le muscle et les tissus conjonctifs des ligaments dela face latérale du crâne en coupant à travers le vestibule (poche entre les gencives et la joue).

2. Palper fracturer le processus zygomatique de l'os maxillaire du crâne et de rompre l'arcade zygomatique de l'os maxillaire.

3. Couper le crâne vers le bas avec une paire de ciseaux de dissection en vrac par le cerveau à partir du palais mou. Isoler la partie antérieure du crâne et peler le cuir chevelu loin de la face dorsale (supérieure) du crâne.

4. Avec une paire de ciseaux fins de dissection, séparer le droit et hemimaxillae gauche en faisant une incision qui suit une ligne droite passant par le centre de la voûte palatine et de la région interdentaire entre les incisives. Assurez-vous que la profondeur de la passe est faible - seulement assez profond pour percer le palais dur.

5. Isoler le hemimaxillae en faisant perpendiculaire (à l'axe longitudinal du crâne) incisionsen avant de la première molaire et en arrière de la troisième molaire. 1) Ne pas couper trop près les premiers et troisièmes molaires pour ce qui pourrait perturber la structure des racines; 2) Ne pas déchirer loin le tissu gingival entourant les trois molaires. Séparer la hemimaxillae du crâne en coupant l'os maxillaire supérieur mince à chaque hemimaxilla. Retirez tous les spicules de tissus osseux et excédentaires.

Validation du dispositif d'essais mécaniques:

Afin de déterminer la rigidité du châssis de chargement et de la dérive des transducteurs de charge / de déplacement, d'utiliser un organe rigide tel que l'aluminium avec un module d'élasticité de loin supérieure à celle de l'échantillon expérimental.

Pour déterminer si l'instrument est capable de différencier diverses valeurs de rigidité représentant d'éléments plus doux, la fabrication des blocs PDMS avec différentes densités de réticulation (1h05, 1h10, 1h25 agent de réticulation à la base en poids) et les charger en utilisant le mêmedans le dispositif de chargement in situ.

Phase mode de contraste pour un rehaussement du contraste des éléments plus tendres: Rehaussement du contraste du PDL peut se faire en exploitant le mode de contraste de phase de l'analyseur. Fondamentalement, le contraste de phase exploite les capacités de détection du scanner d'une évolution en phase sur les bords de tissus, et fournit des détails améliorés structurel. Par conséquent, dans cette étude, les lacunes de cementocyte-lacunes et ostéocyte-lacunes apparu comme porosités dans les tissus minéralisés respectifs. Ces structures ont déjà été détectés dans une analyse standard en mode d'absorption. Tomographies acquis sous le mode de transmission a permis la visualisation des structures dans l'espace négatif, à savoir l'espace PDL et espaces endo-osseux, y compris le système de canal de Havers (pour le modèle 3D voir Figure S1). Structures complémentaires au sein de l'espace-PDL peuvent être visualisés, ainsi, tel que le système vasculaire qui est continue avec celle in os.

Charges équilibrées pour l'acquisition de tomographie et de la dérive du système:. Cette section peut être mieux expliqué en se référant à supplementaire Figure 2 Figure S2A démontre la nécessité d'équilibrer les charges de pointe avant d'acquérir des tomographies. Les charges de pointe désintègrent invariablement à une grandeur plus faible et le système doivent être équilibrés au moins pendant une heure avant une tomographie 6-8 heures est acquise. Il convient de noter que le tomogramme acquis n'est pas représentatif de la liaison os-dent à la charge de pointe, mais à une charge de 3.2 N inférieure à la charge de pointe. En outre, la dérive du système mesurée identifiées en utilisant une souche d'aluminium rigide a été trouvé à changer avec le taux de déplacement et / ou des charges de pointe (Figure S2B et S2C). Valeurs de dérive approchées ont varié de + 1 N / heure.

Après les essais mécaniques, une tomographie de l'articulation fibreuse a été prise à aucune charge, et à une charge de pic à une vitesse de déplacement souhaitée. Avant d'acquérir une tomographie en vertu des conditions de charge, il faut veiller à permettre au système de se mettre d'équilibre (stabilité), après quoi l'analyse doit continuer. Des conditions similaires ont été répétées pour des complexes colorés excentrée et PTA. De la tomographies, tranches virtuelles ont été comparés à aucune charge à des conditions de charge afin d'identifier association dent d'os à la fois en deux et trois dimensions.

Figure 1 supplémentaire. Reconstruction 3D de l'espace négatif en utilisant le contraste de phase améliorée microscopie à rayons X. Sous le mode de renforcement de contraste de phase, le décalage de phase qui se produit sur ​​les bords des tissus a été exploitée afin de mettre en évidence les vaisseaux sanguins au sein du PDL. Le mode d'absorption précisément (à gauche) a mis en évidence les tissus minéralisés dans le champ de vision, tandis que le mode de transmission (à droite) a mis en évidence des vaisseaux sanguins dans l'espace PDL ainsi les espaces de endostéales.

tente "> Figure supplémentaire 2. Decay des forces réactionnaires de pointe à un état ​​antérieur à CT-scan équilibre. courbes indiquent des taux de réponse réactionnaire d'un joint fibreux (en haut) de désintégration, et un corps rigide (panneau inférieur).

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgements

Les auteurs reconnaissent l'aide financière NIH / NIDCR R00DE018212 (SPH), NIH/NIDCR-R01DE022032 (SPH), NIH / NIDCR T32 DE07306 (AJ, JDL), NIH / NCRR S10RR026645, (SPH) et les départements des sciences dentaires de prévention et de restauration et Sciences oro-faciales, UCSF. En outre, les auteurs reconnaissent Xradia bourse d'études supérieures (AJ), Xradia Inc., Pleasanton, CA.

Les auteurs remercient le Dr Kathryn Grandfield, UCSF pour son aide à la post-traitement de données; Drs. Stephen Weiner et Gili Naveh, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israël, le Dr Ron Shahar, l'Université hébraïque de Jérusalem, Israël pour leurs discussions pertinentes spécifiques au dispositif de chargement in situ. Les auteurs tiennent aussi à remercier les biomatériaux et bioingénierie installation microCT Imaging à l'UCSF pour l'utilisation de micro-XCT et le dispositif de chargement in 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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