Регулируемая жесткость, внешний фиксатор для модели крысы Остеотомия бедра и сегментный дефекта кости

Medicine

Your institution must subscribe to JoVE's Medicine section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Glatt, V., Matthys, R. Adjustable Stiffness, External Fixator for the Rat Femur Osteotomy and Segmental Bone Defect Models. J. Vis. Exp. (92), e51558, doi:10.3791/51558 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Механическое окружение вокруг заживления сломанной кости очень важно, поскольку это определяет способ перелом будет исцелять. За последнее десятилетие был достигнут значительный клинический интерес в улучшении заживления костной ткани, изменяя механическую среду через стабильности фиксации вокруг поражения. Один ограничение доклинических исследований на животных в этой области является отсутствие экспериментального контроля над местным механическим среды в пределах большого дефекта сегментарной а также остеотомий как они заживают. В данной работе мы сообщаем о разработке и использовании наружного фиксатора для изучения заживление больших дефектов сегментарный костей или остеотомии. Это устройство позволяет не только для контролируемого осевой жесткости на повреждение кости, как он лечит, но это также позволяет менять жесткость во время процесса заживления в естественных условиях. Проведенные эксперименты показали, что фиксаторы смогли сохранить 5 мм бедренной дефектов разрыв у крыс в естественных условиях в течение неограниченного клеткедеятельность в течение не менее 8 недель. Точно так же мы не наблюдали искажение или инфекций, в том числе контактных инфекций в течение всего периода заживления. Эти результаты показывают, что наш недавно разработанный внешний фиксатор удалось добиться воспроизводимую и стандартизованную стабилизации, и изменение механической среде в естественных условиях крысы дефектов большой кости и различных остеотомий размера. Это подтверждает, что внешняя фиксация устройство хорошо подходит для проведения доклинических исследований исследований с использованием модели крысы в ​​области регенерации и восстановления костей.

Introduction

Ряд исследований улучшили наше понимание биологических механизмов, участвующих в ткани восстановления костей 1-6. Последствия механических условий на ремонт кости, таких как осевых, сдвига и межфрагментарных движений (КССП) были изучены 7-15. В последние несколько лет все больше и больше исследований начали появляться описания влияния механической среды на лечении костей с помощью перелом, остеотомия и большой сегментальную костный дефект в моделях естественных условиях. Поэтому надежные методы фиксации необходимы для получения воспроизводимых и надежных результатов исследования.

Механическое окружение вокруг заживления перелома очень важно, поскольку это определяет способ перелом будет исцелять. Таким образом, выбор фиксации устройства очень важны и должны быть тщательно подобраны в зависимости от дизайна исследования, а также другие факторы, такие как размер зазора и от типа перелома. Механические свойства фиксации устройстваRe даже важнее при изучении костлявую заживление больших костных дефектов установить фиксацию, которая обеспечивает не только постоянный размер зазора в течение всего эксперимента период полной массой несущего, но и идеальную механическую среду для заживления кости. Наружные фиксаторы обычно используются в больших переломов и костных дефектов экспериментальных моделях лечебными, потому что они имеют преимущество перед другими фиксирующими устройствами. Главное преимущество внешних фиксаторов, что они позволяют для изменения механической среды в месте дефекта в естественных условиях без вторичного вмешательства, которое может быть достигнуто путем изменения или регулировки бар устойчивость устройства в ходе эксперимента в качестве исцеление кости прогрессирует. Кроме того, это позволяет применять конкретной локальной механической стимуляции, чтобы добавлять ремонт кости, а также обеспечивает потенциал для измерения жесткости каллусной ткани в естественных условиях. Тем не менее, эти устройства также имеют несколько недостатковкоторые включают в себя: раздражение мягких тканей, инфекции и контактный поломки.

К сожалению, такие имплантаты не были доступны "с полки" на момент разработки имплантатов, и следователи были вынуждены обычаю создавать собственные фиксаторы для использования по назначению. Поэтому, одно ограничение исследований в этой области является отсутствие экспериментального контроля над местным механическим среды в пределах большого дефекта сегментарной а также остеотомия как он лечит. Механические характеристики наружного фиксатора определяются, и можно модулировать, большое количество переменных, которые включают в себя: расстояние между контактами, диаметр контактный, контактный материала, количество контактов, длиной фиксаторов бар, фиксатор бар числа, фиксатор бар материал, толщина фиксатор бар и расстояние от поверхности кости в бар фиксаторов (смещение). Удивительно, но лишь нехватка исследований можно было бы узнать, что исследовали механические вклады отдельных компонентовиз фиксаторов или целых конфигураций кадров, используемых в исследованиях на грызунах 16,18,28. Например, результаты одного исследования показали, что одним из основных факторов, способствующих в определении общей жесткости фиксации конструкции преобладали гибкости штифтов в отношении их смещение, свойств диаметра и материальных 28. Результаты вышеупомянутых исследований четко показывают, что зная механическую среду, представленную фиксации устройства чрезвычайно важно, и все же, во многих случаях не исследовано. Настоящая статья сообщает дизайн, характеристики, и в естественных условиях имплантации наружного фиксатора, который решает эту проблему. Это фиксатор также учитывает модуляцию механической среде как исцеление прогрессирует, свойство, которое позволяет изучение механо-чувствительности различных стадиях процесса заживления в естественных условиях. Кроме того, как и введение контролируемых и воспроизводимых местный механикаль среда, ее доступность и учитывает модуляцию этой среды на разных стадиях заживления костной ткани.

Фиксатор мы разработали была основана на внешней фиксации, который широко используется для фиксации перелома 16-21 и больших моделей дефектов у экспериментальных животных 22-27. Разница между нашей наружного фиксатора и других существующих конструкций, описанных в литературе является то, что их бар стабильность обеспечивается с помощью винтов, чтобы иметь жесткий контроль с Kirschner проводов (спиц). Этот тип конструкции требуется винтов для подтягивать раз в две недели (иногда даже еженедельно), чтобы убедиться, что расстояние смещения поддерживается как нагрузка в через веса подшипника, чтобы предотвратить ослабление баре стабильности. Если такие рыхление происходит, она позволяет нежелательных дополнительных условий нагружения, таких как угловой, поперечных и крутильных движений сдвига к исцелению кости (основано на личном опыте, связи с researcheРС). Зная это, внешний фиксатор был выполнен в виде таким образом, что, когда жесткость фиксатора должен быть изменен, это может быть достигнуто путем удаления соединительные элементы, прикрепленные к основной модуль, в котором крепежные штифты вложенной. В естественных условиях пилот эксперимент проводили с новым внешний фиксатор прототипа, чтобы убедиться, что он отвечает всем предлагаемые требования, прежде чем он производится в больших количествах.

Основная цель этой работы является представление нового хирургического метода для наружного фиксатора, используемого для больших костных дефектов и остеотомий у крыс с возможностью изменения жесткости в естественных условиях во время процесса заживления. Этот способ фиксации применяется в естественных условиях на бедра крыс.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Вслед Уход за животными и экспериментальные протоколы в соответствии с руководящими принципами NIH и одобрен медицинский центр Уходу за животными и использованию комитета Бет Израиль Deaconess, Бостон по. (Номер протокола: 098-2009)

1 Подготовка хирургические материалы и инструменты

  1. Стерилизовать все хирургические материалы и инструменты, используемые для выполнения операции перед использованием. Пакет необходимых материалов, с или без лотка устройства, внутри сложенного тканью или завернутые бумаги и печать с автоклавной ленты для стерилизации паром. Температуру автоклава должно быть по крайней 125-135 ° С в течение 20-25 мин времени стерилизации, а затем 10-15 минут времени сушки.
  2. Убедитесь, что во время операции крыс 200-250 г. Это очень важно, потому что если крысам тяжелее по размеру, то разного размера фиксатор должен быть использован. Для крыс следует использовать тяжелее 250 га больше, версия системы внешнего фиксатора.
  3. </ Ол>

    2 Хирургические процедуры и Применение внешней фиксации

    1. Купить Спраг-Доли (или любой другой штамм) крыс (мужчина или женщина, 200-250 г) из любого сертифицированного поставщика животных. Следуйте указанной ухода за животными и экспериментальных протоколов в соответствии с национальными нормативами, утвержденными Уходу за животными и использованию комитета следователя по. Разрешить минимум 48 ч период акклиматизации перед процедурой.
    2. Для операции, транспортировать крысу к выделенной комнате хирургического вмешательства.
    3. Обезболить крысу с изофлуран первой камере через индукции, а затем продолжить с лицевой маски, подключенного к анестезии машине со скоростью 1,5-2% в 1-1,5 л О 2 / мин. В начале операции убедитесь, что животное находится под глубоким наркозом. Чтобы сделать это, используйте педали технику рефлекса продлить конечности и щипать Интернет между пальцами с помощью пальцев (не сам ног!). Животное не суfficiently наркозом, если конечность отводят, мышечная судорога происходит или если животное издает шум.
    4. После того, как крыса под глубоким общим наркозом для операции, инъекции антибиотика (цефазолин, 20 мг / кг) и обезболивающее бупренорфин (доза 0,08 мг / кг) внутримышечно в правую ногу. Чтобы избежать большого количества потери жидкости во время операции администрирования теплый стерильный физиологический подкожно в 3-5% от массы тела до операции, и, если это необходимо в конце. Применить стерильный глазную мазь для глаз, чтобы держать их увлажненной, чтобы предотвратить повреждение роговицы.
    5. После инъекции лекарственных средств, брить и очистить всю правую заднюю лапу крысы с chlorohezadine или другого дезинфицирующего раствора и передавать животное в хирургическом столе. (Нога работает на должна быть такой же, как тот, который вводили.)
    6. Место животное на нагретой поверхности в положении лежа (Рисунок 1А). Убедитесь, что маска остается на нос и рот кормеэ трансфер в хирургическом столе, и поддерживать, упомянутый в 2,3 режим анестезии). Накройте область хирургической процедуры с помощью стерильного фенестрированной драпировки, так что только нога, предназначенный для операции подвергается.
    7. Сделать приблизительное разрез 3-4 см (Фиг.1В) через кожу работает craniolateral на поверхности правого бедра от большого вертела к надмыщелковый области коленного сустава с использованием скальпель (1в). Expose вал бедренной кости, аккуратно вскрытия отделяющей широкая фасция, и, убедившись, что мышечная ткань не вырезано. После этого, отделить друг от друга латеральной широкой M. и М. двуглавой мышцы бедра и поднимите М. Тензор широкой фасции, чтобы разоблачить всю длину бедренной кости (убедившись, что седалищный нерв сохраняется; Рисунок 1D).
    8. В плановой области остеотомии, подготовить бедра вдоль полпути области диафиза, отпуская окружающую мышечную ткань от Feмур. Во-первых, начать поставив лифт Henahan перпендикулярно внешней поверхности бедра, а затем с помощью скальпеля, отпустите мышцы в смежной области.
      1. Продолжить путем продвижения вперед и идти вокруг бедра, оставаясь близко к поверхности кости, пока все окружающие мышечной ткани не освобождается от всей средней части кости (в котором будет создан дефект), и мышечная ткань полностью очищены от кости. Делая это, очень важно, чтобы остаться близко к поверхности кости, чтобы избежать сокращения каких-либо серьезных судов.
    9. Для 5 мм дефекта большой кости, петли 2 шт Джильи проволочной пилы (0,22 мм) вокруг кости в Medio-боковой ориентации (Рисунок 1E, F). После цикла проволочную пилу, положение одной части на дистальной стороне бедра, ближе к коленного сустава, и вторую часть на ближней стороне близко к тазобедренного сустава. Зажмите провод Джильи видел штук с каждой стороны с помощью S-образный изогнутый рассекает и ПремьерURE щипцы, так что он остается в предполагаемом месте. Если один остеотомии планируется, то использовать только один кусок проволочной пилы.
    10. Используйте внешний фиксатор тарелку в качестве шаблона для определения точного положения имплантата. Положение наружного фиксатора должен быть как можно ближе к центру бедренной кости.
      1. Расположите внешний фиксатор пластину на передне поверхности кости. Это достигается за счет внешней вращающейся бедренную кость. В этом положении слой мягкой ткани в самой тонкой, что предотвращает чрезмерное натяжение мягких тканей под пластиной фиксатора после того, как рану закрывают.
      2. Затем слегка приподнимите внешний фиксатор пластины от поверхности кости, чтобы убедиться, что отверстия пластины сосредоточены на поверхности кости. Держите внешнего фиксатора с небольшим зажимом для того, чтобы остаться параллельно продольной оси кости, а затем использовать электроинструмент или ручная дрель предварительное сверление первое отверстие на ближней стороне бедра с 0,79мм сверло. Перед продвижении вперед, чтобы убедиться, что кончик сверла по-прежнему сосредоточены на поверхности кости.
      3. Если кончик сверла продолжает скольжение, использовать 1,00 мм против грузило (рисунок 8F), чтобы центрировать положение первого отверстия. Счетчик грузило должны быть использованы для размещения всех оставшихся крепежных штифтов. Это обеспечит идеальную расстановку шпуров и фиксатора пластины относительно поверхности кости.

    3 внешний фиксатор Имплантация Метод Использование Руководство Saw

    1. Убедитесь, что пластина наружного фиксатора не установлен вверх ногами до отсечки его на направляющей пильного. Определить это, сравнивая размер отверстия на плите. Правильный сторона с диаметром большее отверстие направлена ​​вверх. Если разница между размером отверстий внутри фиксатора не является очевидным, использовать счетчик грузило.
      1. Вставьте кончик счетчика грузило в одно из отверстий нафиксатор пластины, если счетчик грузило легко помещается в отверстие, то это вверх из фиксатора, однако, если кончик счетчика грузило не подходит, то это нижняя сторона фиксатора, и должно быть отражено для имплантации соответственно.
        (Внимание:.. Убедитесь, чтобы развернуть перпендикулярно продольной оси кости, так как это позволит обеспечить идеальную ориентацию фиксатора на поверхности кости направление первой буровой скважины определяет окончательную ориентацию фиксатора на кости Запомнить монтажные штырьки имеют одинаковую длину, и если фиксатор не параллельна продольной оси кости расстояние между фиксатором и кости будет меняться слишком много, и может предотвратить способность всех четырех крепежных штифтов проникать как кору.)
      2. После ориентация подтверждается, обрезать плиту на направляющей пильного (2А, Б) и вырезать блок на кости, так что первый просверленные отверстиясовмещен с первым отверстием на плите (фиг.2С). Используйте 0,70 мм квадратная коробка ключ, вставленный в ручной дрелью ездить первый монтажный штифт в отверстие. Делая это позволит воспроизводимое позиционирование для остальных монтажных штифтов.
      3. После первого монтажа штифт на месте, то сверлить самый дальний отверстие от первого установочного штифта на дистальной стороне, и ездить второго монтажного штифт в отверстие. Имплантация порядок двух средних монтажных штырей не важно.

    4 внешний фиксатор Имплантация Метод Без Руководства Пила:

    Применение внешней фиксации можно проводить, не используя руководство пила. Начинающие шаги внешний фиксатор имплантации одинаковы вплоть до блока с гидом пильного обрезается на кости (шаг 3.1). Если руководство пила не используется, это очень важно держать фиксатора пластину в правильной ориентации во времявся процедура оформления. Бедренная кость должна быть внешне поворачивается в передне направлении.

    1. Удерживая наружного фиксатора пластина с небольшой зажима или S-образной изогнутой рассекает и лигатурных щипцов так, чтобы она была параллельна продольной оси кости (фиг.3А). Применение первого монтажного штифта будет определять выравнивание фиксатора, таким образом, вращение кости должна быть сохранена до тех пор, первый штифт не вставлена ​​(фигура 3В). После первого контактный находится в месте, тщательно использовать пинцет, чтобы удерживать фиксатор пластину, которая действует в качестве руководства буровой.
    2. Вставьте сверло второе отверстие - это наиболее дистального отверстия с планируемым остеотомической дефекта (Рисунок 3C). Перед бурением, убедитесь, что второе отверстие имеет ту же ориентацию, что и первое отверстие; Также убедитесь, что после бурения будет завершена, как кору пронизаны.
    3. Вставьте квадратную бо 0,70 ммх ключ к ручной дрели, а затем вставьте монтажную штифт в наконечнике. Осторожно вставьте его в пластины наружного фиксатора не теряя выравнивание первого предварительно просверленном отверстие.
    4. Как только наконечник находится в контакте с костью, начать поворотом ключа при непрерывном осевой нагрузки, приложенной к проксимальному концу ручной дрели. Примерно через 5 полных оборота, убедитесь, что резьба на ближнем конце монтажного штифта ловит тело внешней фиксации пластины. Этот поток блокирует систему. Остановка поворота, когда конец костного нити близко к верхней поверхности кости (рисунок 3D).
    5. После штифты на наиболее дистальной и проксимальной стороны находятся в месте, сверление оставшиеся два средних отверстия. Имплантация порядок двух средних штифтов не важно (Цифры 3C).
    6. После внешний фиксатор находится в месте, используйте 0,22 мм Джильи проволочной пилы по указанию руководства пилы, чтобы сделать сегментальное дефект (Figurэ 4А). Если последний метод был выбран, руководство пила обрезается до принятия дефект.
      1. Для этого, пройти 0,22 мм Джильи Канатный через 2 канавок на нижней стороне бедра (рисунок 5А) для создания 5 мм дефект сегментальную по возвратно-поступательного движения вперед и назад (5В), используя достаточное орошение (использование 5 мл шприц для дозирования физиологический раствор в время создания дефекта). Во избежание повреждения мягких тканей, сократить пильной проволоки близко к кости на одной стороне после завершения остеотомии. Снимите пильный руководство (Рисунок 4B).
    7. После дефект или остеотомия создается, снять направляющую пилы и закрыть рану послойно, мышцы первого (Рисунок 4C), а затем кожу (Рисунок 4D). Перед рана закрыта, лечения дефекта, как и планировалось в протоколе исследования. Закройте мышечного слоя и широкая фасция, используя Ethibond викрил шва 4-0, и кожа используя Ethicon Monocryl 3-0 секuture. Избегайте перетаскивания шовный материал более нестерильных поверхностей в то время сшивания ран. Примечание: Чтобы избежать рану кусаться, шов не должен заканчиваться дистальнее нижнего имплантата. Кроме того, клей, кожа может быть использован вместо шовного материала.
    8. На первых трех дней после операции, дать крысе анальгетик каждые 12 ч и антибиотик каждые 24 ч. Конечно, послеоперационный режим наркотиков будет варьироваться в зависимости от марки и марки препаратов, используемых каждым следователем (обратитесь к инструкции спецификации наркотиков).
    9. Монитор животных часто после процедуры, чтобы убедиться, что они оправиться от наркоза и только потом вернуть их в субсидированного жилья. Обеспечить уединенную жилье в течение первых нескольких дней после операции, чтобы убедиться, что нет никаких осложнений.
    10. Монитор воды, потребление пищи и массу тела после операции, чтобы убедиться, что животное не испытывает боли и страданий. Если животное показывает снижение уровня активности, трудности передвигаться (возможный отказ имплантат), ataxi, неопрятный жирный мех, порфирина окрашивание вокруг глаз и ноздрей, выгибание спины, дыхательная недостаточность, снижение потребления пищи и воды и т.д. обратитесь к ветеринару.

    5 Изменение внешнего фиксатора скованность в естественных условиях

    1. Если протокол исследования требует изменения жесткости фиксатора во время процесса заживления в естественных условиях это достигается за счет изменения соединительные элементы, обеспеченные со специальными винтами блокировки с использованием 0,5 мм квадратное окно гаечный ключ, прикрепленный к ручной дрели. Для этой процедуры, обезболить крысу (обратитесь к 2,3 в протоколе) и дать обезболивание (обратитесь к 2,4 в протоколе) только один раз во время процедуры (рисунок 6А).
      1. Степенный крысу, а затем вставьте кончик 0,50 мм в квадратные рамки ключа в блокировки винта, прикрепленной к стороне собранном фиксатора, и начать осторожно поворачивая его против часовой стрелки, пока штифт не на полпути из (6В (фиг.6С).
      2. Когда оба контакта на той же стороне, на полпути из, использовать щипцов или зажим для удаления соединительного элемента на противоположной стороне с нежным движением (Рисунок 6D). Элемент присоединения должны оторваться легко, если этого не произойдет, то сделать дополнительный пару витков на обоих взаимосвязанных винтов, чтобы убедиться, что верхушка блокировки винта не вложено в соединительного элемента.
      3. После того, как соединительный элемент удаляется, скользить нужный соединительный элемент жесткости в месте удаленной один (рисунок 6е), а с противоположной стороны с помощью квадрат ключ окно запуска поворота до тех пор, блокировки винт не на полпути на противоположной стороне (рисунок 6F). Повторите ту же процедуру для второй блокировки винта (Рисунок 6G). Важно: йэто потребует переключения на противоположной стороне пластины, чтобы убедиться, что обе блокировки винты на полпути на той стороне, где соединительный элемент был заменен (рисунок 6Н, I).
      4. После этого часть успешного завершения удаления второго соединительный элемент (Рисунок 6J) и заменить его и того же элемента жесткости соединения в качестве одного заменил на противоположной стороне (Рисунок 6K). После второй соединительный элемент находится в месте, сесть за руль блокирующий винт до конца блокировки винт не выходит из противоположной стороны пластины, а также блокировки винта наконечник вышел такое же количество с каждой стороны (рисунок 6 л). Повторите ту же процедуру для второй блокировки винта (Рисунок 6 М, N). Эта процедура занимает около 15 минут, чтобы закончить.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Характеристики дизайна

Стабилизация бедренной кости крыс с внешней системой фиксации позволяет создавать остеотомии от 0,5 до 5 мм. Внешняя система фиксатор является заблокирован внешний фиксатор из полиэфирэфиркетон (PEEK - [Основной]) и сплава титан-алюминий-ниобия (TAN - [монтажных штырей]), которая предлагает простой, воспроизводимый и регулируемую конструкцию, и доступен в четырех различных жесткости: 10, 40, 70 и 100% (100% быть стандарт, наиболее жесткая фиксатор (Рисунок 7) В зависимости от требований учебных каждого следователя, будут ли они должны сделать имплантата регулировку жесткости в естественных условиях, как. исцеление кости прогрессирует, внешний фиксатор пластина поставляется либо в виде одного цельного куска (рисунок 8) или с двумя соединительными элементами (Рисунок 9а) и двух основных модулей (9В) крепится двумя взаимосвязанными винтов (Fiфигура 9C), которые должны быть собраны до операции (рисунок 10А-F). Соединительные элементы имеют разную толщину, и, следовательно, жесткости, и были разработаны, чтобы обеспечить жесткость фиксации, эквивалентную 10% (толщиной 0,75 мм), 40% (толщиной 1,70 мм), 70% (толщиной 2,10 мм) и 100% (2,50 мм толщиной; Рисунок 7). Внешний фиксатор жесткость 100% была рассчитана исходя из 200 г приблизительным весом тела зрелого крысы, а затем умножается на коэффициент 4, к массе, равной 800 г. Это было сделано, чтобы убедиться, что после создания 5 мм дефект, фиксатор способен выдерживать вес подшипник животного, тем самым сохраняя выравнивание и предотвращения вывих дефектных фрагментов. Остальные три фиксатора жесткости были снижены на 30%, соответственно, от самой высокой (100%), чтобы иметь различные жесткости для исследований с различных целей.

Каждый основной модуль имеет два отверстия, где выводы к InSerted. Фиксатор жесткость может быть изменен, пока она еще прикреплена к живого животного путем изменения соединительные элементы, обеспеченные специальные блокировки винтами (рисунок 9, в), используя 0,5 мм квадратная коробка с гаечным ключом (Рисунок 9H), прикрепленный к ручной дрелью (Рисунок 9K). TAN (Титановый сплав) был использован, чтобы сделать для монтажа флажки (Рисунок 9D) по обеспечению бар Устойчивость к бедренной кости (рисунок 7). Фиксатор входит в четыре части, и должен быть собран перед использованием, если изменение жесткости предназначен для исследования (рисунок 10А-F), если нет, один сплошной образует фиксатор должен быть использован. Расстояние между наружными винты составляет 16 мм, а расстояние между средними винтов 11 мм. Все отверстия просверленные использованием 0,79 мм сверло с (Рисунок 9E). Винты заперты в соответствующие отверстия в основной раме фиксаторов, которая параллельна поверхности кости и установить на расстоянии 6 мм сюдам кость (рисунок 7).

Пила Руководство было разработано для того, чтобы создать точную, воспроизводимым, 5 мм дефекта сегментарной в бедренной кости (Рисунок 9I); он также служит в качестве руководства позиционирования для установки внешней фиксации. Основной каркас из внешней фиксации обрезается на направляющей пильного, а затем вся система обрезается на кости, как показано на рисунке 2B, C. 5 мм зазор генерируется с 0,22 мм Джильи проволочной пилы (рис 9J). И руководство пила и Джильи проволочная пила может обрабатываться в автоклаве при 134 ° С. Если разного размера остеотомия предназначен для изучения, специально созданных видел руководство доступно. В связи с миниатюрными размерами внешнего фиксатора, специальный набор имплантации инструментов был разработан и приобрел; настроили 0,79 мм сверло (Рисунок 9E), 1,00 мм против грузило для предварительного сверления отверстий (Рисунок 9F), 0,7 мм SquaRe ключ ящик для применения монтажных штырей, прикрепленных к ручной дрелью (Рисунок 9 г), 0,5 мм квадратного ключа поле для применения взаимосвязанных винтами (Рисунок 9H), ручной дрелью (Рисунок 9K). Также был разработан Accu Pen дрель (Рисунок 9L). Диаметр сердечника каждого монтажного штифта 0,02 мм больше, чем бурового долота, чтобы гарантировать надлежащую установку крепежных штифтов в кости. При использовании вместе с самонарезающий винт наконечника, это было показано для предотвращения ослабления вследствие резорбции костной поверхности на границе раздела кость-винт 29. Сверло (Рисунок 9E) управляется миниатюрной электрической Accu Pen сверла, который производит 2500 оборотов в минуту с мощностью 500 мВт (Рисунок 9L).

В естественных условиях экспериментов

Радиологическое обследование подтвердило, что фиксаторы всех жесткости поддерживал 1 мм (не показан) или 5 мм Feморальный дефект в течение целых 8 недель эксперимента (рисунок 11). Это было особенно важно для 5мм критических дефектов размера, где спонтанное исцеление не происходит. При этом искажения или инфекции, в том числе контактных инфекций, не наблюдалось и контактный рыхление отсутствовал, если были соблюдены инструкции по применению 30. Осложнение при помощи внешнего фиксатора было замечено, если вес крысы во время операции превысила 250 г и был использован меньший размер пластины. В некоторых из этих случаев, нагрузка на монтажных штифтов увеличился до критического уровня таким образом, чтобы штифт вклеек происходили на дистальной стороне бедра в любом месте от одной недели до двух недель после операции (рисунок 12). В дополнение к этому, при использовании большего размера животного, мышечной ткани, окружающей бедренную кость является относительно толстым, что создает напряжение кожи в непосредственной близости от имплантата после того, как кожа закрывается. Благодаря набухания напряженности, когда кожа овпироги, чтобы излечить это создает ощущение зуда животному решений некоторых крыс укусить фиксатор. Так как фиксатор создается из PEEK материала, который является в основном из пластика высокой плотности, в редких случаях, некоторые крысы были известны жевать через него. Опять же, для того, чтобы избежать этого, очень важно, чтобы выбрать рекомендуемого веса тела для исследований на животных или перейти в более широком варианте наружного фиксатора.

Рисунок 1
Рисунок 1. Хирургическая подготовка крысы бедра. () Крыса позиционируется в положении лежа. (B) показывает направление разрез на бедре. (C) показывает разрез, сделанный в коже, чтобы выставить мышцы. (D) показывает разрез производится через мышцу выставить бедренную кость. ( E) Показывает небольшой зажим, расположенный под кости пройти GigLi провод. (F) Показывает Джильи провод прошел под кости.

Рисунок 2
Рисунок 2 () пила руководство. (B) внешний фиксатор обрезается на направляющей пилы. (C) пила руководство с внешней фиксации фиксацией на бедра.

Рисунок 3
Рис.3 Применение внешней фиксации. (A) Показывает правильное применение первого установочного штифта с пластиной лежащего передне-боковом направлении и параллельно кости - зеленого стороны, и неправильного применения -. Красная рука (B) показывает вставку первого монтажа выводов во внешней дистальной позиции . (с) показано введение . остальные Монтажные штыри, начиная с наиболее проксимального положении, а затем двумя выводами средних монтажа (D) показывает вставку Монтаж Pin - больше подробное описание в разделе протокола 4.4.

Рисунок 4
Рис.4 хирургической имплантации внешнего фиксатора на крыс бедра. () Демонстрирует завершение хирургической процедуры с внешней фиксации в месте с проводом Джильи. (B) показывает, создано 5 мм дефект сегментальную. (C) Демонстрирует зашивается мышечного слоя с открытой внешней панели стабильности фиксатор. (D) Демонстрирует зашивается кожу подвергается внешним бар стабильность фиксатор.

558fig5highres.jpg "ширина =" 500 "/>
Рисунок 5 (А) Исходное положение Джильи проволоки для создания дефекта. (B) изображение, показывающее взаимное движение Джильи проволоки.

Рисунок 6
Рисунок 6 Изменение внешнего фиксатора жесткости в естественных условиях. (А) внешний фиксатор имплантировали на бедра. (B) показывает удаление первой блокировки винта, аккуратно поворачивая его против часовой стрелки, пока штифт не на полпути из. (C) показывает удаление второй блокировки винт тщательно поворота против часовой стрелки, пока штифт не в два раза выход. (D) демонстрирует удаление соединительного элемента на противоположной стороне. (Е) демонстрирует замену требуемого соединительного элемента жесткости в месте удаленной один. (F) Демонстрирует, как обезопасить первый заменить соединительный элемент с противоположной стороны, повернув квадратная коробка ключ до блокировки винт не на полпути из противоположной стороне. (G) Демонстрирует, как обезопасить второе заменяемый элемент соединения с противоположной стороны , поворачивая квадрату ключа до блокировки винта на полпути из противоположной стороны. (H, I) показывает переход на противоположной стороне пластины, чтобы убедиться, что обе блокировки винта на полпути на той стороне, где соединение Элемент был заменен. (J) демонстрирует удаление второго соединительного элемента. (К) демонстрирует замену второго элемента жесткости соединения в месте удаленной один. (L, M) не демонстрирует вождения обоих взаимосвязанных винтов до блокировки винт конечных выходов противоположная сторона пластины. (Н) показывает, завершены процедуры. Рисунок 7
Рис.7 Компоненты внешних фиксаторов Слева:. Жесткость определяется соединительных элементов различной толщины. Фиксатор прикреплен к кости с титановый сплав крепежных штифтов. Справа: Собранные фиксатор на месте на крыс бедра с 5 мм дефекта сегментарной.

Рисунок 8
Рисунок 8. внешний фиксатор в виде одного блока.

Рисунок 9
Рисунок 9. Запчасти и инструменты предназначены для использования с внешней фиксации. (A) Два соединительные элементы.(B) Два основных модулей. (C) Два взаимосвязанных винты. (D) Четыре монтажных штырей. (E) 0,79 мм сверло. (F) 1,00 мм против грузило для предварительного сверления отверстия. (G) 0,7 мм кв ключ ящик для применения крепежных штырей. (H) 0,5 мм кв ключ ящик для применения блокировки винта. (Я) 5 мм видел руководство. (J) 0,22 мм Джильи Канатный для создания дефекта. (K) Ручная дрель для крепления сверл, 0,70 и 0,50 мм квадратного ключа коробки. (L) AccuPen 6В + (миниатюрный электрический ручка сверла) используется для привода буровых долот.

Рисунок 10
Рисунок 10 Ассамблея Организации внешней фиксации. (А) 70%-йiffness соединение элементом. (В) соединительным элементом и одним из основных модулей. (С) показано, как один из основных модулей слайдов внутри соединительного элемента. (D) Демонстрирует оба основных модулей скользить внутри соединительного элемента . (E) Демонстрирует оба основных модулей и двух соединительных элементов в месте (F) демонстрирует полностью собранный бар стабильности -. основные модули и соединительные элементы, обеспеченные взаимосвязанными винтов.

Рисунок 11
Рисунок 11 В естественных условиях рентгеновских изображений дефектов в крыс немедленно после операции и через 8 недель. Наружные фиксаторы из всех 3 жесткости хирургически имплантируют на крыс бедер и 5 мм сегментных дефектов, созданных. Дефекты были рентген сразу после операции (Т = 0) и в weeklинтервалы у до 8 недель (Т = 8 недель), когда эксперимент был прекращен. Воспроизводится с любезного разрешения ECM журнале ( http://www.ecmjournal.org ). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 12
Рисунок 12 В естественных условиях рентгеновского изображения дефекта у крыс 9 дней после операции с дистальных штифтов вытащил (на момент операции масса тела крысы 340 г). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть больше версия этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Наиболее критические шаги хирургической процедуры, чтобы создать большой костный дефект являются: 1) выбрав соответствующий вес тела крысы в ​​соответствии с размером внешнего фиксатора; 2) поддержание стерильной среды во время процедуры; и 3) в соответствии с протоколом хирургической процедуры.

Основными целями данного исследования были спроектировать, изготовить и охарактеризовать новый, переменная жесткость внешнего фиксатора для крыс бедренной большой модели дефекта, и использовать этот фиксатор в определении взаимосвязи между биологическими и механическими факторами во время процесса заживления. Механические свойства новых фиксаторов были рассмотрены на трех уровнях и характеристика фиксаторов публикуется в другом рукописи 30. В Фиксаторы также применяться к крыс бедер и их эффективность в естественных мониторинг рентгенологически в течение 8 недель с и без обработки 30,31.

Первичный яnnovation этого фиксатора является его способность обмениваться элементы бар Присоединение стабильности, чтобы выбрать различные стандартизированные жесткости. Потому что соединительные элементы от работы бара стабильности можно обменять в то время как устройство подключено к животному, жесткость можно регулировать на разных этапах во время процесса заживления. Соединительные элементы заменяются по одному, чтобы предотвратить смещение дефектов кромок и разрушения вновь образованной ткани, как описано в протоколе. В настоящее время четыре различных жесткости доступны, но дополнительные жесткости можно достичь просто, заказав различные соединительные элементы различной толщины через производителя системы имплантатов.

Монтажные штифты и основной рамы были сделаны из PEEK загар и, соответственно, так как эти материалы уже используются для ортопедических имплантатов в организме человека и их биосовместимость хорошо известна. Эти материалы также позволяют в естественных изображений вРанние стадии репарации переломов с минимальными искажениями, и снижению заболеваемости инфекциями. В естественных условиях эксперименты подтвердили, что фиксаторы разрешено четкое изображение и поддерживается на 5 мм, чтобы сегментный разрыв не менее 8 недель без инфекции или контактный рыхления.

В качестве дополнительной функции дизайна, фиксатор имеет предварительный набор не смещение 6 мм от поверхности кости в бар стабильности независимо от того, которое жесткости соединительные элементы используются. Эта особенность делает имплантация фиксатора очень воспроизводимым. Другим важным преимуществом по сравнению с альтернативными конструкциями, описанными в литературе 1,18,26,27, является то, что новый внешний фиксатор был разработан, чтобы иметь минимальную массу (0,32 г), чтобы избежать неконтролируемого нагрузку за счет инерции. Кроме того, после имплантации и ушивания кожи, зазор между стержнем поперечного имплантата и кожи составляет лишь около 2 мм. Такая близость к поверхности кожи минимизирует момент силы, который предотвращает возможностьдополнительная нагрузка в пределах дефекта, отличной от той, предназначенного от внешнего фиксатора. Кроме того, чтобы сохранить хирургическую травму низкий, обычный и вращающиеся пилы не рассматривались в качестве инструментов для создания больших или маленьких остеотомий. Такие пилы либо нарезать прилегающей ткани и не разрушает надкостницу, когда ткани убирается. В прошлом мы использовали 4,5 мм стоматологическая заусенцев видел, чтобы создать 5 мм дефекты и обнаружили, что это было невозможно создавать точные и воспроизводимые размера дефектов с параллельными концов 22,26,27. Чтобы избежать всех этих проблем мы взяли преимущество в Джильи проволочной пилы 0,22 мм. Руководство пила была разработана для воспроизводимо создавать точные дефекты с параллельными концами.

Есть несколько ограничений при использовании этого метода. Одной из основных проблем при использовании этого внешнего фиксатора является возможность упоминается в разделе результатов, что крысы могут жевать через внешний фиксатор пластины, которая сделана из PEEK. Однако специфическаяаль металлическая крышка была недавно разработана производителем фиксатора, чтобы предотвратить это. Точно так же, елизаветинской Воротник может быть использован для первых двух недель после операции, чтобы предотвратить животное от жевания. Дополнительной проблемой является то, что если пустая костный дефект используется для изучения, есть шанс, что монтажные штыри могут вытащить из кости нескольких недель после операции. Кроме того, очень важно, что фиксатор имплантируется в точной ориентации, который излагается в протоколе. Если в инструкции не внимательно следил, есть большой риск, что механическая среда, создаваемая конкретной жесткости фиксатора не будет как и было задумано, и представит ошибку, давая ложные результаты.

В фиксаторы, описанные в этой статье, позволяющих исследователям проводить эксперименты, которые необходимы для определения эмпирически влияние различных механических сред и / или механическим (жесткости) модуляции на бодин исцеление в больших дефектов или остеотомий 30,31. Кроме того, внешний технологии фиксатор может использоваться в различных исследованиях, где различные фармацевтические препараты и биоматериалы проверенных открыть для себя новые методы лечения не только для сложных переломов, но и для лечения стандартных переломов для ускорения процесса заживления.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Автор Романо Matthys является сотрудником RISystem AG Давосе, Швейцария, которая производит имплантаты, имплантаты конкретные инструменты и расходные материалы, используемые в этой статье. Автор Вайда Glatt не имеет конкурирующие финансовые интересы.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана фондом АО (S-08-42G) и RISystem AG.

Мы хотели бы выразить очень большое "спасибо!" в команде Стефана Zeiter в в АО НИИ Давосе, Швейцария для того так любезны в разрешении нам использовать их или объектов для съемок этой хирургической процедуры.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
RatExFix simple 100% RISystem AG Davos, Switzerland RIS.612.120
RatExFix simple 70% RISystem AG Davos, Switzerland RIS.612.123
RatExFix simple 40% RISystem AG Davos, Switzerland RIS.612.121
RatExFix simple 10% RISystem AG Davos, Switzerland RIS.612.122
RatExFix Connection element 100% RISystem AG Davos, Switzerland RIS.612.130
RatExFix Connection element 70% RISystem AG Davos, Switzerland RIS.612.131
RatExFix Connection element 40% RISystem AG Davos, Switzerland RIS.612.132
RatExFix Connection element 10% RISystem AG Davos, Switzerland RIS.612.133
RatExFix Main body RISystem AG Davos, Switzerland RIS.611.101
RatExFix InterlockingScrew RISystem AG Davos, Switzerland RIS.412.110
RatExFix Mounting pin 0.85 mm RISystem AG Davos, Switzerland RIS.412.100
RatExFix Saw Guide 100% 5 mm RISystem AG Davos, Switzerland RIS.312.100
Accu Pen 6V+ RISystem AG Davos, Switzerland RIS.390.211
HandDrill RISystem AG Davos, Switzerland RIS.390.130
Drill Bit 0.79 mm RISystem AG Davos, Switzerland RIS.593.203
Gigly wire saw 0.22 mm RISystem AG Davos, Switzerland RIS.590.100
Square box wrench 0.70 mm RISystem AG Davos, Switzerland RIS.590.112
Square box wrench 0.50 mm RISystem AG Davos, Switzerland RIS.590.111
Centering bit 1.00 mm RISystem AG Davos, Switzerland RIS.592.205
Scalpel Blade handle Fine Science tools
Scalpel Blade (Size 15) Fisher Scientific
Tissue Forceps Fine Science tools
Scissors Fine Science tools
Retractor Fine Science tools
Needle Holder Fine Science tools
Henahan Elevator Fine Science tools
S-shape curved dissecting and ligature forceps  Fine Science tools 2
Dressing Forceps Fine Science tools 2
Sterile Fenestrated drape Fisher Scientific for surgery
Sterile gauze Fisher Scientific for surgery
5 ml syringe  Fisher Scientific  for irrigation of defect
24-27G needle  Fisher Scientific  for irrigation of defect
1 cc Insulin syringes  Fisher Scientific for drug injections
sterile saline  Fisher Scientific for bone defect irrigation
sterile gloves Fisher Scientific to perform surgeries
chlorohezadine Fisher Scientific disinfecting solution for surgical site
Vicryl suture 4-0 with SH-1 Fisher Scientific to suture muscle 
Ethibond suture 3-0  Fisher Scientific to suture skin
Isofluorine Sigma-Aldrich for anesthesia
Buprenorphine Sigma-Aldrich analgesia during and after the surgery
Cefazolin Sigma-Aldrich antibiotic during and after the surgery 
Sprague-Dawley Rats or any other strain Charles River Laboratories International, Inc. (Wilmington, MA USA) 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Einhorn, T. A., Lane, J. M., Burstein, A. H., Kopman, C. R., Vigorita, V. J. The healing of segmental bone defects induced by demineralized bone matrix. A radiographic and biomechanical study. J Bone Joint Surg Am. 66, 274-279 (1984).
  2. Feighan, J. E., Davy, D., Prewett, A. B., Stevenson, S. Induction of bone by a demineralized bone matrix gel: a study in a rat femoral defect model. J Orthop Res. 13, 881-891 (1995).
  3. Hunt, T. R., Schwappach, J. R., Anderson, H. C. Healing of a segmental defect in the rat femur with use of an extract from a cultured human osteosarcoma cell-line (Saos-2). A preliminary report. J Bone Joint Surg Am. 78, 41-48 (1996).
  4. Jazrawi, L. M., et al. Bone and cartilage formation in an experimental model of distraction osteogenesis. J Orthop Trauma. 12, 111-116 (1998).
  5. Probst, A., Jansen, H., Ladas, A., Spiegel, H. U. Callus formation and fixation rigidity: a fracture model in rats. J Orthop Res. 17, 256-260 (1999).
  6. Richards, M., Huibregtse, B. A., Caplan, A. I., Goulet, J. A., Goldstein, S. A. Marrow-derived progenitor cell injections enhance new bone formation during distraction. J Orthop Res. 17, 900-908 (1999).
  7. Aro, H. T., Chao, E. Y. Bone-healing patterns affected by loading, fracture fragment stability, fracture type, and fracture site compression. Clin Orthop Relat Res. 8-17 (1993).
  8. Augat, P., et al. Shear movement at the fracture site delays healing in a diaphyseal fracture model. J Orthop Res. 21, 1011-1017 (2003).
  9. Augat, P., et al. Local tissue properties in bone healing: influence of size and stability of the osteotomy gap. J Orthop Res. 16, 475-481 (1998).
  10. Claes, L., Augat, P., Suger, G., Wilke, H. J. Influence of size and stability of the osteotomy gap on the success of fracture healing. J Orthop Res. 15, 577-584 (1997).
  11. Claes, L., Eckert-Hubner, K., Augat, P. The fracture gap size influences the local vascularization and tissue differentiation in callus healing. Langenbecks Arch Surg. 388, 316-322 (2003).
  12. Duda, G. N., et al. Interfragmentary motion in tibial osteotomies stabilized with ring fixators. Clin Orthop Relat Res. 163-172 (2002).
  13. Goodship, A. E., Watkins, P. E., Rigby, H. S., Kenwright, J. The role of fixator frame stiffness in the control of fracture healing. An experimental study. J Biomech. 26, 1027-1035 (1993).
  14. Williams, E. A., Rand, J. A., An, K. N., Chao, E. Y., Kelly, P. J. The early healing of tibial osteotomies stabilized by one-plane or two-plane external fixation. J Bone Joint Surg Am. 69, 355-365 (1987).
  15. Wu, J. J., Shyr, H. S., Chao, E. Y., Kelly, P. J. Comparison of osteotomy healing under external fixation devices with different stiffness characteristics. J Bone Joint Surg Am. 66, 1258-1264 (1984).
  16. Harrison, L. J., Cunningham, J. L., Stromberg, L., Goodship, A. E. Controlled induction of a pseudarthrosis: a study using a rodent model. J Orthop Trauma. 17, 11-21 (2003).
  17. Kaspar, K., Schell, H., Toben, D., Matziolis, G., Bail, H. J. An easily reproducible and biomechanically standardized model to investigate bone healing in rats, using external fixation. Biomed Tech (Berl). 52, 383-390 (2007).
  18. Mark, H., Bergholm, J., Nilsson, A., Rydevik, B., Stromberg, L. An external fixation method and device to study fracture healing in rats. Acta Orthop Scand. 74, 476-482 (2003).
  19. Mark, H., Nilsson, A., Nannmark, U., Rydevik, B. Effects of fracture fixation stability on ossification in healing fractures. Clin Orthop Relat. Res. 245-250 (2004).
  20. Mark, H., Rydevik, B. Torsional stiffness in healing fractures: influence of ossification: an experimental study in rats. Acta Orthop. 76, 428-433 (2005).
  21. McCann, R. M., et al. Effect of osteoporosis on bone mineral density and fracture repair in a rat femoral fracture model. J Orthop Res. 26, 384-393 (2008).
  22. Betz, O. B., et al. Direct percutaneous gene delivery to enhance healing of segmental bone defects. J Bone Joint Surg Am. 88, 355-365 (2006).
  23. Cullinane, D. M., et al. Induction of a neoarthrosis by precisely controlled motion in an experimental mid-femoral defect. J Orthop Res. 20, 579-586 (2002).
  24. Dickson, G. R., Geddis, C., Fazzalari, N., Marsh, D., Parkinson, I. Microcomputed tomography imaging in a rat model of delayed union/non-union fracture. J Orthop Res. 26, 729-736 (2008).
  25. Jager, M., Sager, M., Lensing-Hohn, S., Krauspe, R. The critical size bony defect in a small animal for bone healing studies (II): implant evolution and surgical technique on a rat's femur. Biomed Tech (Berl). 50, 137-142 (2005).
  26. Betz, V. M., et al. Healing of segmental bone defects by direct percutaneous gene delivery: effect of vector dose. Hum Gene Ther. 18, 907-915 (2007).
  27. Glatt, V., et al. Ability of recombinant human bone morphogenetic protein 2 to enhance bone healing in the presence of tobramycin: evaluation in a rat segmental defect model. J Orthop Trauma. 23, 693-701 (2009).
  28. Willie, B., Adkins, K., Zheng, X., Simon, U., Claes, L. Mechanical characterization of external fixator stiffness for a rat femoral fracture model. J Orthop Res. 27, 687-693 (2009).
  29. Hess, T., Hopf, T., Fritsch, E., Mittelmeier, H. Comparative biomechanical studies of conventional and self-tapping cortical bone screws. Z Orthop Ihre Grenzgeb. 129, 278-282 (1991).
  30. Glatt, V., Evans, C. H., Matthys, R. Design, characterisation and in vivo testing of a new, adjustable stiffness, external fixator for the rat femur. Eur Cell Mater. 23, 289-298 (2012).
  31. Glatt, V., et al. Improved healing of large segmental defects in the rat femur by reverse dynamization in the presence of bone morphogenetic protein-2. J Bone Joint Surg Am. 94, 2063-2073 (2012).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics