A rigidez ajustável, Fixador Externo para os Rat Femur Osteotomia e segmentar defeito ósseo Models

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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).

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Abstract

O ambiente mecânico em torno da cura do osso quebrado é muito importante, pois determina a forma como a fratura vai curar. Durante a última década, tem havido grande interesse clínico na melhoria da cicatrização óssea, alterando o ambiente mecânico através da estabilidade da fixação ao redor da lesão. Uma limitação da pesquisa animal pré-clínico nesta área é a falta de controle experimental sobre o ambiente mecânica local dentro de um grande defeito segmentar bem como osteotomias como se curar. Neste trabalho, um relatório sobre o projeto e uso de fixador externo para estudar a cicatrização de grandes defeitos ósseos segmentares ou osteotomias. Este dispositivo não só permite uma rigidez axial controlada na lesão do osso durante a cura, mas também permite que a modificação da rigidez, durante o processo de cura in vivo. As experiências realizadas têm demonstrado que os fixadores eram capazes de manter a 5 mm de intervalo defeito femoral em ratos in vivo durante a gaiola irrestritaactividade durante pelo menos 8 semanas. Da mesma forma, observou-se ausência de distorções ou infecções, incluindo infecções dos pinos durante todo o período de cicatrização. Estes resultados demonstram que o nosso fixador externo recém-desenvolvido foi capaz de alcançar a estabilização reprodutível e normalizada, ea alteração do ambiente mecânico in vivo de ratos defeitos ósseos grande e várias osteotomias tamanho. Isto confirma que o elemento externo de fixação é bem adequado para as investigações de pesquisa pré-clínicos utilizando um modelo de rato no campo da regeneração óssea e reparação.

Introduction

Uma série de estudos tenham melhorado a nossa compreensão dos mecanismos biológicos envolvidos na reparação do tecido ósseo 1-6. Os efeitos de condições mecânicas no reparo do osso, tais como axial, corte e movimentos interfragmentários (IFMS) têm sido estudados extensivamente 7-15. Nos últimos anos, mais e mais estudos começaram a surgir descrevendo a influência do ambiente mecânico no reparo ósseo usando fratura, osteotomia e grande defeito ósseo segmentar em modelos in vivo. Portanto, métodos de fixação confiáveis ​​são necessários para obter os resultados do estudo reprodutíveis e confiáveis.

O ambiente em torno da mecânica da fratura cura é muito importante, pois determina a forma como a fratura vai curar. Assim, a escolha do dispositivo de fixação é muito importante e deve ser cuidadosamente selecionado de acordo com o desenho do estudo, e outros fatores como o tamanho da abertura e do tipo de fratura. As propriedades mecânicas do dispositivo de fixação de umre ainda mais importante quando se estuda a cicatrização óssea de grandes defeitos ósseos para estabelecer uma fixação que fornece não só um intervalo de tamanho constante ao longo do período experimental do peso total do rolamento, mas também um ambiente ideal para a mecânica de reparação óssea. Os fixadores externos são comumente usados ​​em fratura e modelos experimentais de cura defeito ósseo grandes, porque eles têm uma vantagem sobre os outros dispositivos de fixação. A principal vantagem de fixadores externos são de que eles permitem a mudança do meio mecânico no local do defeito, in vivo, sem uma intervenção secundária, que pode ser conseguida alterando ou ajustando a barra do dispositivo de estabilidade durante o decurso da experiência como o cicatrização óssea progride. Além disso, permite a aplicação de estimulação mecânica local específico para melhorar a reparação do osso, e proporciona também a possibilidade de medir a rigidez do tecido de calo in vivo. No entanto, os dispositivos também têm algumas desvantagensque incluem: irritação dos tecidos moles, infecções e pin quebra.

Infelizmente, tais implantes não estavam disponíveis "off the shelf" no momento do desenvolvimento do implante, e os investigadores foram obrigados a projetar suas próprias fixadores para uma utilização prevista. Por isso, uma restrição da investigação nesta área foi a falta de controle experimental sobre o ambiente mecânica local dentro de um grande defeito segmentar bem como osteotomias como ele cura. As características mecânicas de um fixador externo são definidas por, e pode ser modulado por um grande número de variáveis, que incluem: a distância entre os pinos, o diâmetro do pino, o material do pino, o número de pinos, fixador comprimento da barra, o número de barras fixador, material de barra fixador, do fixador espessura bar e a distância a partir da superfície do osso para a barra de fixador (offset). Surpreendentemente, apenas uma escassez de estudos poderia ser encontrado que investigou as contribuições mecânicas dos componentes individuaisde fixadores ou configurações de quadros inteiros utilizados em estudos com roedores, 16,18,28. Por exemplo, os resultados de um estudo mostrou que um dos principais fatores que contribuem para a determinação da rigidez total da construção de fixação foi dominada pela flexibilidade dos pinos em relação a sua contrapartida, diâmetro e propriedades do material 28. Os resultados dos referidos estudos sugerem claramente que o conhecimento do ambiente mecânica fornecida pelo dispositivo de fixação é extremamente importante, e ainda, em muitos casos não é investigada em detalhe. O presente artigo relata o projeto, especificações e in vivo implantação de um fixador externo que resolve esse problema. Este fixador também permite a modulação do meio mecânico como a cura progride, uma propriedade que permite o estudo da mecano-sensibilidade de diferentes etapas do processo de cura in vivo. Além disso, assim como a imposição de um mecânico local controlado e reprodutívelambiente ai, a sua acessibilidade também permite a modulação deste ambiente em diferentes fases de cicatrização do osso.

O fixador nós projetamos foi baseada na fixação externa, que é amplamente utilizado para a fixação da fratura 16-21 e modelos de defeitos grandes em animais experimentais 22-27. A diferença entre o nosso fixador externo e os outros projetos existentes relatados na literatura é que a sua barra de estabilidade é presa com parafusos de ter um controlo apertado com fios de Kirschner (K-fios). Este tipo de projeto requer parafusos para ser reapertadas quinzenal (às vezes até semanalmente) para certificar-se de que a distância do deslocamento é mantida como a carga é aplicada por meio do rolamento de peso para evitar o afrouxamento da barra de estabilidade. Se ocorrer tal afrouxamento, ele permite que as condições de carga adicionais indesejados, como angular, transversal e movimentos de cisalhamento de torção para o osso cura (com base na experiência pessoal, a comunicação com researchers). Sabendo isto, um fixador externo foi concebido como tal que quando a rigidez do fixador tem de ser mudada, ela seria alcançada através da remoção de elementos de ligação ligados ao módulo principal, onde os pinos de fixação são encaixados. A experiência piloto in vivo foi realizado com o novo protótipo de fixador externo para se certificar de que cumpre todas as exigências propostas antes de ser fabricado em grandes quantidades.

O principal objectivo para este trabalho é apresentar um novo método cirúrgico para um fixador externo utilizado para grandes defeitos ósseos e osteotomias no rato com a capacidade de alterar a rigidez in vivo durante o processo de cicatrização. Este método de fixação é aplicada in vivo sobre o fémures de ratazanas.

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Protocol

Cuidados com os animais e os protocolos experimentais foram seguidas de acordo com as diretrizes do NIH e aprovado pelo Centro Médico Animal Care Institucional e Use Comitê de Beth Israel Deaconess, em Boston, MA. (Número do protocolo: 098-2009)

1. preparação de materiais e instrumentos cirúrgicos

  1. Esterilizar todos os materiais cirúrgicos e instrumentos utilizados para realizar a cirurgia antes de usar. Embale os materiais necessários, com ou sem uma bandeja de instrumento, dentro de um pano dobrado ou enrolado de papel e selar com fita autoclave para esterilização a vapor. A temperatura da autoclave deve ser pelo 125-135 ° C durante 20-25 minutos de tempo de esterilização, e, em seguida, 10-15 minutos de tempo de secagem.
  2. Certifique-se de que, no momento da cirurgia, os ratos são 200-250 g. Isto é muito importante porque, se os ratos são pesados ​​em tamanho, em seguida, um fixador de tamanho diferente deve ser usado. Para os ratos deve ser usada a versão mais pesada de 250 ga maior do sistema de fixador externo.
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    2. procedimento cirúrgico e aplicação do Fixador Externo

    1. Compre ratos Sprague-Dawley (ou qualquer outra estirpe) (masculinos ou femininos, 200-250 g) a partir de qualquer fornecedor de animais certificada. Siga a cuidados adequados aos animais e protocolos experimentais, de acordo com as diretrizes nacionais, que é aprovado pelo Institutional Animal Care and Use Committee do investigador. Permitir um mínimo de período de aclimatização de 48 horas antes do procedimento.
    2. Para a cirurgia, o transporte do rato para uma sala dedicada procedimento cirúrgico.
    3. Anestesiar o rato com isoflurano primeira via câmara de indução e, em seguida, continuar com máscara conectada a um aparelho de anestesia a uma taxa de 1,5-2% em 1-1,5 L de O 2 / min. No início da cirurgia certificar-se o animal sob anestesia profunda. Para fazer isso, use pedal técnica de reflexão por estender o membro e beliscar a web entre os dedos dos pés com os dedos (e não o próprio dedo do pé!). O animal não é sufficiently anestesiados Se o membro for retirado, contração muscular ocorre ou se o animal faz barulho.
    4. Depois do rato sob anestesia geral para cirurgia profunda, injectar o antibiótico (cefazolina, 20 mg / kg) e o analgésico de buprenorfina (dose de 0,08 mg / kg) por via intramuscular na perna direita. Para evitar a perda de grande quantidade de fluido durante a cirurgia de administrar subcutaneamente salina estéril quente a 3-5% do peso do corpo, antes da cirurgia, e se for necessário, no fim. Aplicar pomada estéril para os olhos para mantê-los hidratados para evitar lesão da córnea.
    5. Após as injecções de fármaco, raspar e limpar toda a perna posterior direita do rato com chlorohezadine ou outra solução de desinfecção e de transferir o animal para a mesa cirúrgica. (A perna operada deve ser a mesma que a que foi injectado.)
    6. Colocar o animal em uma superfície aquecida em decúbito ventral (Figura 1A). Certifique-se que a máscara permanece no nariz e boca réer a transferência para a mesa de cirurgia, e manter o regime de anestesia mencionado em 2.3). Sobrepor a área da intervenção cirúrgica com uma cortina fenestrado estéril de modo que apenas a perna destinados à cirurgia é exposta.
    7. Fazer uma incisão de aproximadamente 3-4 cm (Figura 1B), através da pele executando craniolateral sobre a superfície do fémur direito do trocânter maior para a região supracondilar do joelho utilizando um bisturi (Figura 1C). Exponha o eixo do fêmur por dissecção delicada que separa a fáscia lata, e certificando-se de que o tecido muscular não é cortado. Depois disso, separe além do vasto lateral M. e M. bíceps femoral e levantar a M. tensor da fáscia para expor todo o comprimento do fêmur (certificando-se de que o nervo ciático é preservada; Figura 1D).
    8. Na área planejada de osteotomia, prepare o fêmur ao longo da área a meio caminho da diáfise pela liberação do tecido muscular em torno da femur. Em primeiro lugar, começar por colocar o elevador Henahan perpendicular à superfície exposta do fêmur, e em seguida, usando um bisturi, solte o músculo na área adjacente.
      1. Continuar avançando para a frente e ir ao redor do fêmur, ficando próximo à superfície do osso, até que todo o tecido muscular circundante é liberado de toda a parte do meio do osso (onde o defeito será criado), eo tecido muscular é completamente limpo a partir do osso. Enquanto isso, é muito importante para ficar perto da superfície do osso para evitar o corte quaisquer vasos grandes.
    9. Para um 5 milímetros defeito ósseo grande, laço 2 pedaços de serra de fio Gigli (0,22 mm) ao redor do osso na orientação médio-lateral (Figura 1E, F). Após colocar o fio de serra, a posição de uma peça do lado distai do fémur, perto da articulação do joelho, e uma segunda peça do lado proximal perto da articulação da anca. Prenda o fio Gigli viu peças de cada lado usando S-forma de dissecação curvo e Ligatfórceps Ure, para que ele permaneça no local pretendido. Se uma única osteotomia de corte é planejado, em seguida, usar apenas um pedaço de serra de fio.
    10. Usar a placa do fixador externo como um modelo para determinar a posição exacta do implante. A posição do fixador externo tem que ser o mais próximo possível do centro do fémur.
      1. Posicione a placa de fixador externo na superfície ântero-lateral do osso. Isto é conseguido através da rotação externa do fémur. Nesta posição a camada de tecido mole é o mais fino possível, o que impede o excesso de tensão do tecido mole sob a placa do fixador, após a ferida é fechada.
      2. Em seguida, ligeiramente levantar a placa do fixador externo da superfície do osso para certificar-se de que os orifícios da placa são centrados na superfície do osso. Segure o fixador externo com uma braçadeira pequena para que ele fique paralelo ao eixo longitudinal do osso, e então usar uma ferramenta ou com uma broca de mão para perfure o primeiro buraco no lado proximal do fêmur com o 0,79mm broca. Antes de avançar para a frente, certifique-se de que a ponta da broca ainda está centrada sobre a superfície do osso.
      3. Se a ponta da broca continua a deslizar, utilizar o contador de 1,00 milímetros de lastro (Figura 8F), para centrar a posição do primeiro furo. O contador chumbada deve ser usado para posicionar todos os restantes pinos de montagem. Isto vai garantir um perfeito alinhamento dos furos e a placa do fixador em relação à superfície do osso.

    3. fixador externo Método Implantação Usando o Guia Saw

    1. Certifique-se de que a placa do fixador externo não está montado de cabeça para baixo antes do clipping-lo na guia da serra. Determinar isso comparando o tamanho dos furos na placa. O lado correto é com o diâmetro do orifício maior virado para cima. Se a diferença entre o tamanho dos orifícios no interior do fixador não é evidente, utilizar o contador chumbada.
      1. Inserir a ponta do contador chumbada em um dos orifícios ema placa do fixador, se o contador de chumbada cabe facilmente no orifício, em seguida, esta é a cabeça do fixador, no entanto, se a ponta do contador chumbada não se encaixa em seguida, esta é uma parte de baixo do fixador, e tem de ser invertida para a implantação em conformidade.
        (Importante:.. Certifique-se a perfurar perpendicularmente ao eixo longitudinal do osso, como forma de garantir uma perfeita orientação do aparelho imobilizador para a superfície do osso O sentido do primeiro orifício de perfuração determina a orientação final do fixador sobre o osso do Recorde pinos de fixação são do mesmo comprimento, e se o fixador não é paralela ao eixo longitudinal do osso, a distância entre o fixador e o osso pode variar muito e pode impedir a capacidade de todos os quatro pinos de montagem de penetrar no córtex.)
      2. Após a orientação é confirmada, cortar a placa de guia de serra (Figura 2A, B) e, em seguida, a unidade de cortar o osso de modo a que o primeiro furo pré-furadoestá alinhado com o primeiro orifício da placa (Figura 2C). Utilizar a chave de caixa de 0,70 milímetros quadrados inserido na broca para conduzir o primeiro pino de montagem no orifício. Fazendo isso irá permitir posicionamento reprodutível para os restantes pinos de montagem.
      3. Após o primeiro pino de montagem no lugar, em seguida, fazer o furo mais distante do primeiro pino de montagem no lado distal, e dirige o segundo pino de montagem no orifício. A ordem de implantação dos dois pinos de montagem do meio não é importante.

    4. Fixador Externo Método implante sem a Guia de Serra:

    A aplicação do fixador externo pode também ser realizado sem a utilização da guia de serra. As etapas iniciais da implantação fixador externo são os mesmos até a unidade com o guia da serra é recortada no osso (passo 3.1). Se o guia de serra não é utilizado, é muito importante para manter a placa do fixador na orientação correcta duranteo procedimento de aplicação inteira. O fêmur deve ser rodado externamente no sentido ântero-lateral.

    1. Segurar a placa do fixador externo com uma pequena pinça ou em forma de S e uma pinça de dissecação curvo ligadura de modo que seja paralelo ao eixo longitudinal do osso (Figura 3A). A aplicação do primeiro pino de montagem vai determinar o alinhamento do fixador, por conseguinte, a rotação do osso tem de ser mantido até que o primeiro pino é inserido (Figura 3B). Após o primeiro pino está no lugar, use com cuidado a pinça para segurar a placa fixador que está atuando como um guia de perfuração.
    2. Inserir a broca no segundo furo - este é o buraco mais distal para o fosso osteotomia prevista (Figura 3C). Antes da perfuração, certifique-se de que o segundo buraco tem a mesma orientação que o primeiro buraco; Também certifique-se que após a perfuração estiver concluída, as duas corticais são penetradas.
    3. Insira a 0,70 milímetro quadrado box chave para a broca de mão e, em seguida, insira o pino de fixação na ponta. Insira-o com cuidado no prato do fixador externo, sem perder o alinhamento do primeiro furo pré-furado.
    4. Assim que a ponta está em contacto com o osso, começar a girar a chave sob carga axial contínua aplicada à extremidade proximal da broca. Depois de cerca de cinco voltas completas, certifique-se de que o fio na extremidade proximal do pino de montagem da pega do corpo da placa de fixador externo. Esta discussão trava o sistema. Pare de rodar, quando a extremidade da rosca do osso está perto da superfície superior do osso (Figura 3D).
    5. Depois que os pinos no lado mais distal e proximal estão no lugar, perfure os restantes dois furos do meio. A ordem de implantação dos dois pinos média não é importante (Figuras 3C).
    6. Depois, o fixador externo está no lugar, o uso do fio de serra Gigli 0,22 milímetros dirigido pelo guia da serra para fazer o defeito segmentar (Figure 4A). Se o último método é escolhido, o guia da serra é cortada antes de fazer um defeito.
      1. Para isso, passa um fio de 0,22 milímetros Gigli vi através das duas ranhuras por baixo do fémur (Figura 5A) para criar 5 mm de defeito segmentar por movimento alternativo para trás e para diante (Figura 5B), com irrigação suficiente (utilização da seringa de 5 ml de solução salina a dispensar o tempo da criação de defeitos). Para evitar danos no tecido mole, cortar o arame próximo da serra do osso em um dos lados, depois de completar a osteotomia. Remover o guia de serra (Figura 4B).
    7. Após o defeito ou osteotomia é criado, remover o guia da serra e fechar a ferida em camadas, a primeira músculo (Figura 4C), e em seguida, a pele (Figura 4D). Antes de a ferida está fechada, tratar o defeito tal como previsto no protocolo de estudo. Feche a camada muscular e da fáscia lata usando Ethibond vicryl sutura 4-0, ea pele usando Ethicon Monocryl® 3-0 suture. Evite arrastar material de sutura sobre superfícies não-estéreis, enquanto costurando os ferimentos. Nota: Para evitar ferida cortante, a sutura não deve terminar distal ao implante menor. Da mesma forma, cola de pele pode ser utilizado, em vez de um fio de sutura.
    8. Nos três primeiros dias de pós-operatório, dar o analgésico rato a cada 12 horas e antibiótico cada 24 horas. Evidentemente, o regime pós-operatório de fármacos variará, dependendo da composição e da marca dos medicamentos utilizados por cada pesquisador (consulte as instruções de especificação de drogas).
    9. Monitorar os animais freqüentemente após o procedimento para se certificar de que eles se recuperar da anestesia e só então devolvê-los à instalação de alojamento. Proporcionar habitação solitária durante os primeiros dias após a cirurgia, para se certificar de que não há complicações.
    10. Monitor de água, a ingestão de alimentos eo peso corporal após a cirurgia para garantir que o animal não sente dor e angústia. Se o animal apresenta um nível de atividade diminuiu, dificuldade de movimentação em torno de (falha do implante possível), ataxium, pele oleosa despenteado, coloração porfirina ao redor dos olhos e narinas, postura arqueada, desconforto respiratório, redução da ingestão de alimentos e água, etc consultar um veterinário.

    5 Mudança de fixador externo Rigidez In vivo

    1. Se o protocolo de estudo requer a alteração da rigidez do fixador, durante o processo de cura in vivo isto é conseguido alterando os elementos de ligação fixados com os parafusos de bloqueio especiais utilizando-se 0,5 mm Caixa chave quadrada ligado à broca. Para este procedimento, anestesiar o rato (consulte a 2,3 no protocolo) e proporcionar analgesia (consulte a 2,4 no protocolo) apenas uma vez, no momento do procedimento (Figura 6A).
      1. Sedar o rato, e em seguida, insira a ponta da chave de caixa quadrada 0,50 milímetros no parafuso de bloqueio anexado ao lado do fixador montado, e começar cuidadosamente transformá-lo no sentido horário até que o pino é meio caminho para fora (Figura 6B (Figura 6C).
      2. Quando os dois pinos no mesmo lado estão a meio passo, utilizar uma pinça ou um gancho para remover o elemento de conexão, no lado oposto com um movimento suave (Figura 6D). O elemento de conexão deve sair fácil, se não, em seguida, fazer um par adicional de voltas em ambos os parafusos de bloqueio para se certificar de que a ponta do parafuso de bloqueio não está embutida no elemento de conexão.
      3. Depois de o elemento de ligação é removida, deslizar o elemento de conexão rigidez desejada no lugar de um removida (Figura 6E), e do lado oposto com a chave de caixa quadrada de começar a rodar até o parafuso de bloqueio está a meio caminho para fora sobre o lado oposto (figura 6F). Repetir o mesmo procedimento para a segunda rosca de bloqueio (Figura 6G). Importante: thse exigirá a mudança para o lado oposto da placa para certificar-se de que os parafusos de bloqueio está a meio caminho para fora do lado em que o elemento de conexão foi substituída (Figura 6H, I).
      4. Após esta parte é concluída com êxito, remova o segundo elemento de conexão (Figura 6J) e substituí-lo com o mesmo elemento de conexão rigidez como uma substituição no lado oposto (Figura 6K). Depois de o segundo elemento de ligação está no lugar, começar a conduzir o parafuso de bloqueio até que a extremidade do parafuso de bloqueio sai do lado oposto da placa, e a ponta do parafuso de bloqueio saiu a mesma quantidade de cada lado (Figura 6D). Repetir o mesmo procedimento para a segunda rosca de bloqueio (Figura 6 M, N). Este procedimento leva cerca de 15 minutos para ser concluído.

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Representative Results

Especificações do design

A estabilização do fémur de ratos com o sistema de fixação externa permite a criação de osteotomias de 0,5 a 5 mm. O sistema de fixador externo é um fixador externo bloqueado feito de poliéter éter cetona (PEEK - [o corpo principal]) e titânio-alumínio-liga de nióbio (TAN - [os pinos de fixação]), que oferece um design simples, reprodutíveis e ajustável, e está disponível em quatro rigidezes diferentes: 10, 40, 70 e 100% (100% sendo o padrão, fixador mais rígida (Figura 7) Dependendo dos requisitos de estudo de cada investigador, se eles vão ter que fazer ajuste de rigidez implante in vivo como. a cicatrização óssea progride, a placa do fixador externo vem quer como uma peça sólida (Figura 8) ou com dois elementos de ligação (Figura 9A) e dois módulos principais (Figura 9B) fixo com dois parafusos de bloqueio (Fifigura 9C), que tem que ser montado, antes da cirurgia (Figura 10A-F). Os elementos de ligação são de espessuras diferentes, e, consequentemente, a rigidez, e foram desenvolvidos para obter uma fixação de rigidez equivalente a 10% (0.75 mm de espessura), 40% (1,70 mm de espessura), 70% (2,10 mm de espessura) e 100% (2,50 milímetros de espessura; Figura 7). A rigidez do fixador externo de 100%, foi calculada com base na 200 g de peso corporal aproximado de um rato maduro, e depois multiplicado por um factor de 4, para uma igual massa de 800 g. Isto foi feito para assegurar que, após a criação de um defeito de 5 mm, o fixador é capaz de suportar o suporte de peso do animal, mantendo assim o alinhamento e impedindo o deslocamento dos fragmentos do defeito. Os restantes três rigidezes fixador foram diminuiu 30%, respectivamente, a partir da mais alta (100%) para ter uma variedade de rigidez para os estudos com várias finalidades.

Cada módulo principal tem dois buracos onde os pinos de fixação são inserted. A rigidez fixador pode ser alterado enquanto ele ainda está ligado ao animal vivo, alterando os elementos de ligação presas com parafusos especiais de bloqueio (Figura 9C) usando 0,5 milímetros caixa chave quadrada (Figura 9H) ligado à broca de mão (Figura 9K). TAN (liga de titânio) foi usada para fazer a montagem de pinos (Figura 9D) para fixar a barra de estabilidade ao fémur (Figura 7). O fixador vem em quatro pedaços e precisa de ser montado, antes da utilização, se uma alteração é a rigidez pretendida para o estudo (Figura 10A-F), se não, um único fixador Pieced sólido deve ser usado. A distância entre os parafusos exteriores é de 16 mm e a distância entre os parafusos de meia é de 11 mm. Todos os buracos são perfurados usando uma 0,79 milímetros broca (Figura 9E). Os parafusos estão bloqueadas em furos na estrutura principal do fixador, que é paralela à superfície do osso correspondente e situado a uma distância de 6 milímetros from o osso (Figura 7).

Um guia da serra foi desenvolvido para permitir a criação de um, reprodutível, 5 milímetros defeito segmentar precisas no fêmur (Figura 9I); que também serve como uma guia de posicionamento para a instalação do fixador externo. O quadro principal do fixador externo é cortado para o guia da serra, em seguida, todo o sistema é cortado no osso, como mostrado na Figura 2B, C. O espaço de 5 mm é gerada com uma 0,22 milímetros Gigli viu fio (Figura 9J). Tanto o guia da serra e da serra de fio Gigli podem ser autoclavados a 134 ° C. Se um tamanho diferente osteotomia é destinado para o estudo, um design personalizado viu guia está disponível. Devido ao tamanho miniatura do fixador externo, um conjunto especial de instrumentos de implantação foi projetado e adquiridos; um personalizado 0,79 milímetros broca (Figura 9E), 1,00 milímetros contra chumbada pela predrilling dos furos (Figura 9F), 0,7 milímetros square caixa chave para aplicação dos pinos de montagem ligados à broca de mão (Figura 9G), 0,5 mm Caixa Chave quadrada para aplicação dos parafusos de bloqueio (Figura 9H), broca de mão (Figura 9K). Uma broca Accu Pen (Figura 9D) também foi desenvolvido. O diâmetro da parte central de cada um dos pinos de montagem é maior do que 0,02 milímetros a broca para garantir a montagem adequada de os pinos de fixação no osso. Quando usado em conjunto com uma ponta do parafuso auto-corte, isso tem sido demonstrado para evitar o afrouxamento devido a reabsorção óssea superficial na interface do parafuso de osso 29. A broca (Figura 9E) é operado por uma furadeira elétrica Accu Pen miniatura que produz 2.500 rpm, com uma potência de 500 mW (Figura 9D).

As experiências in vivo

Exame radiológico confirmou que todos os fixadores de rigidez mantida a 1 mm (não representada) ou 5 mm fedefeito moral durante toda a 8 semanas de experimento (Figura 11). Isto foi especialmente importante para os defeitos de tamanho crítico 5mm, onde a cura espontânea não ocorre. Sem distorção ou infecções, incluindo infecções dos pinos, foram observados e pin afrouxamento estava ausente, se as instruções do aplicativo foram seguidos 30. Uma complicação da utilização do fixador externo foi observado se o peso do rato, no momento da cirurgia excedeu 250 g, e uma placa de tamanho mais pequeno foi utilizado. Em alguns destes casos, a carga sobre os pinos de fixação aumentada para um nível crítico de modo que os pinos foram pullouts ocorrendo no lado distai do fémur, em qualquer lugar a partir de uma semana a duas semanas após a cirurgia (Figura 12). Além de que, se um animal de tamanho maior é usado, o tecido do músculo que rodeia o fémur é relativamente espessa, a qual cria a tensão da pele nas proximidades do implante após a pele é fechada. Devido à tensão inchaço, quando a pele stortas para curar ele cria uma sensação de coceira ao animal fazer alguns dos ratos morder o fixador. Uma vez que o fixador é criado a partir de material de PEEK, que é basicamente de plástico de alta densidade, em raras ocasiões, alguns ratos eram conhecidos para mastigar através dele. Mais uma vez, a fim de evitar isso, é muito importante para seleccionar o peso corporal recomendado para estudos com animais ou exibir a versão ampliada de fixador externo.

Figura 1
Figura 1 preparo cirúrgico do fêmur de ratos. (A) Rato posicionado na posição de pronação. (B) mostra a direcção da incisão no fémur. (C) Mostra incisão feita na pele para expor o músculo. (D) mostra incisão feita através do músculo para expor fémur. ( E) mostra uma pequena braçadeira posicionado abaixo do osso para passar Gigfio li. (F) Mostra fio Gigli passou por baixo do osso.

Figura 2
Figura guia 2 (A) Saw. (B) fixador externo preso na guia da serra. (C) guia da serra com o fixador externo cortado em fêmur.

Figura 3
Figura 3 Aplicação de fixador externo. (A) Mostra correta aplicação do primeiro pino de montagem com a placa reclinável ântero-lateralmente e paralelamente ao osso - mão verde, bem como a aplicação incorreta -. Mão vermelha (B) mostra a inserção do primeiro pino de montagem na posição distal exterior . (C) mostra a inserção do remanescente. pinos de montagem começando com a posição mais proximal, seguido pelos dois pinos de meia de montagem (d) mostra a inserção de pino de montagem - descrição mais detalhada na seção de protocolo 4.4.

Figura 4
Figura 4 O implante cirúrgico do fixador externo no fêmur de ratos. (A) Demonstra a conclusão do procedimento cirúrgico com fixador externo no lugar com o fio de Gigli. (B) Demonstra criou cinco milímetros defeito segmentar. (C) Demonstra camada muscular suturada com a exposta bar estabilidade do fixador externo. (D) Demonstra suturada a pele com exposto barra estabilidade do fixador externo.

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Figura 5 (A) Posição inicial de fio de Gigli para a criação de defeito. (B) Uma imagem que mostra o movimento recíproco de fio Gigli.

Figura 6
Figura 6 Mudança de Fixador Externo rigidez in vivo. (A) fixador externo implantado no fêmur. (B) mostra a remoção do primeiro parafuso de bloqueio cuidadosamente transformando-o no sentido horário até que o pino é meio caminho para fora. (C) Mostra a remoção do segundo parafuso de bloqueio por cuidadosamente transformando-o sentido anti-horário até que o pino está a meio caminho para fora. (D) demonstra a remoção do elemento de conexão, no lado oposto. (E) Demonstra a substituição do elemento de conexão rigidez desejada no lugar de um removida. (F) mostra como para fixar a primeira substituído elemento de ligação do lado oposto, rodando a chave de caixa quadrada até que o parafuso de bloqueio está a meio caminho para fora do lado oposto. (L) Demonstra como proteger o segundo elemento de ligação substituída do lado oposto rodando a chave de caixa quadrada até que o parafuso de bloqueio está a meio caminho para fora do lado oposto. (H, I) Demonstra a mudança para o lado oposto da placa para assegurar que ambos os parafusos de bloqueio está a meio caminho para fora sobre o lado em que a ligação elemento foi substituído. (J) Demonstra a remoção do segundo elemento de ligação. (K) Demonstra a substituição do segundo elemento de ligação em lugar de rigidez que foi removida. (L, M) Demonstra condução de ambos os parafusos de bloqueio até que a extremidade do parafuso de bloqueio sai no lado oposto da placa. (N) Demonstra procedimento concluído. Figura 7
Figura 7 Componentes dos fixadores externos Esquerda:. Rigidez é determinado por elementos de ligação de diferentes espessuras. O fixador é ligado ao osso com os pinos de montagem em liga de titânio. Direita: fixador montado no local em fêmur de ratos com cinco milímetros defeito segmentar.

Figura 8
Figura 8 fixador externo como uma unidade.

Figura 9
Figura 9. Partes e instrumentos concebidos para utilização com o fixador externo. (A) Dois elementos de conexão.(B) Dois módulos principais. (C) Dois parafusos de bloqueio (D). Quatro pinos de montagem (E). Uma broca 0,79 milímetros. (F) Um contador chumbada 1,00 milímetros para a pré-perfuração dos orifícios. (G) 0,7 mm chave de caixa quadrada para a aplicação de pinos de fixação. (H) A 0,5 milímetro quadrado chave caixa para a aplicação do bloqueio parafusos. (I) A 5 milímetros viu guia. (J) Um fio de 0,22 milímetros Gigli viu pela criação de defeito. (K) Broca de mão para a fixação de brocas, 0,70 e 0,50 milímetro quadrado chave de boca. (L) AccuPen 6V + (Miniature caneta broca elétrica) usada para acionar as brocas.

Figura 10
Figura Assembléia 10 do fixador externo. (A) 70% do stelemento de ligação iffness. (B) O elemento de ligação e um dos módulos principais. (C) demonstra como um dos principais módulos desliza no interior do elemento de ligação (D). Demonstra como ambos os módulos principais de deslizar no interior do elemento de conexão . (E) demonstra tanto dos principais módulos e elementos de conexão no lugar (F) demonstra totalmente montado bar estabilidade -. módulos principais e elementos de ligação presas com parafusos de bloqueio.

Figura 11
Figura 11 in vivo imagens de raios-X de defeitos em ratos imediatamente após a cirurgia e 8 semanas mais tarde. Fixadores externos de todos os 3 rigidezes foram implantados cirurgicamente em fêmur de ratos e defeitos segmentares 5 milímetros criados. Os defeitos foram radiografados imediatamente após a cirurgia (t = 0) e no weeklintervalos Y até 8 semanas (t = 8 semanas), quando o experimento foi encerrado. Reproduzido com permissão de eCM revista ( http://www.ecmjournal.org ). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 12
Figura 12. vivo imagem de raios-X do defeito em ratos nove dias pós-cirurgia com os pinos distais tirou (no momento da cirurgia, o peso corporal do rato foi 340 g) Em. Clique aqui para ver uma maior versão desta figura.

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Discussion

Os passos mais críticos de um procedimento cirúrgico, para criar um grande defeito de osso são: 1) a escolha do peso do corpo do rato apropriado para coincidir com o tamanho do fixador externo; 2) manutenção de um ambiente estéril durante o procedimento; e 3) seguindo o protocolo de procedimento cirúrgico.

Os principais objetivos deste estudo foram a projetar, fabricar e caracterizar um novo, rigidez variável fixador externo para o modelo de defeito femoral grande rato, e para usar esse fixador na determinação da interação entre fatores biológicos e mecânicos durante o processo de cicatrização. As propriedades mecânicas dos novos fixadores foram examinadas em três níveis ea caracterização dos fixadores é publicado em um manuscrito diferente 30. Os fixadores também foram aplicados em fémures de ratos e seu desempenho in vivo monitorizados, radiograficamente, durante 8 semanas, com e sem tratamento 30,31.

O i primárioNOVAÇÃO deste fixador é a sua capacidade de trocar os elementos de conexão barra de estabilidade para selecionar diferentes rigidezes, padronizados. Como os elementos de ligação da barra de estabilidade podem ser trocadas, enquanto o dispositivo está ligada ao animal, a rigidez pode ser ajustado em fases diferentes durante o processo de cura. Os elementos de ligação são trocados um de cada vez para evitar o desalinhamento das extremidades do defeito e a destruição do tecido recém-formado, tal como descrito no protocolo. Atualmente, quatro rigidezes diferentes estão disponíveis, mas rigidez adicional pode ser obtida simplesmente ordenando diferentes elementos de ligação de diferentes espessuras através do produtor do sistema de implante.

Os pinos de montagem e quadro principal foram feitos de TAN e PEEK, respectivamente, porque esses materiais já são usados ​​para implantes ortopédicos em humanos e sua biocompatibilidade está bem estabelecida. Estes materiais permitem também in vivo de imagens noestágios iniciais de reparo de fratura com o mínimo de distorção, e uma redução na incidência de infecções. experimentos in vivo confirmaram que os fixadores permitido imagem clara e manteve uma lacuna segmentar cinco milímetros por pelo menos 8 semanas sem infecção ou afrouxamento dos pinos.

Como uma característica adicional do design, o fixador tem um deslocamento de 6 mm a partir da superfície do osso para a barra de estabilidade não importa pré-conjunto que rigidez elementos de ligação são utilizados. Esta característica faz com que o implante do fixador muito reprodutível. Outra importante vantagem sobre concepções alternativas descritos na literatura 1,18,26,27, é que o novo fixador externo foi concebido para ter uma massa mínima (0,32 g) para evitar o carregamento descontrolada devido à inércia. Além disso, após a implantação e sutura da pele, a folga entre a barra transversal do implante e a pele é de apenas cerca de 2 mm. Tal proximidade com a superfície da pele minimiza a força de momento, o que evita a possibilidade deuma carga adicional dentro do defeito que não seja o destinado do fixador externo. Além disso, para manter o trauma cirúrgico baixo, convencional e serras rotativas não foram considerados como ferramentas para a criação de pequenas ou grandes osteotomias. Estas serras de corte em ambos os tecidos adjacentes ou despir o periósteo quando os tecidos são retraídos. No passado, ter usado um 4,5 milímetros rebarba dental viu para criar 5 defeitos mm e descobriu que era impossível criar defeitos exatas e porte reprodutível com extremidades paralelas 22,26,27. Para evitar todos estes problemas que teve uma vantagem da serra de fio Gigli de 0,22 mm. O guia da serra foi desenvolvido para reproducibly criando defeitos precisos com extremidades paralelas.

Existem algumas limitações ao usar esta técnica. Uma das principais preocupações na utilização deste fixador externo é a possibilidade mencionada na secção de resultados, que os ratos pode mastigar através da placa de fixador externo, que é feito de PEEK. No entanto, uma especificidadetampa de metal al foi recentemente desenvolvido pelo produtor do fixador para evitar que isso aconteça. Da mesma forma, uma gola Elizabetana pode ser utilizado para o primeiro par de semanas após a cirurgia, para evitar que o animal de mascar. Outra preocupação é que, se um defeito ósseo vazio é usado para o estudo, existe uma possibilidade de que os pinos de fixação podem puxar para fora a partir dos ossos várias semanas após a cirurgia. Além disso, é fundamental que o fixador é implantado na orientação exata que é descrito no protocolo. Se as instruções não forem seguidas cuidadosamente, há um grande risco de que o ambiente mecânica fornecida pelo fixador rigidez específica não será como se pretendia, e irá introduzir um erro, dando falsos resultados.

Os fixadores descritos neste trabalho permitem que os investigadores a realizar as experiências que são necessárias para determinar empiricamente os efeitos de vários ambientes mecânicos e / ou (rigidez) modulação mecânica em buma cura em grandes defeitos ou osteotomias 30,31. Além disso, a tecnologia de fixador externo pode ser utilizado em vários estudos em que diferentes fármacos e biomateriais são testados para descobrir novos tratamentos não apenas para fracturas complexas, mas também para o tratamento de fracturas normais, a fim de acelerar o processo de cicatrização.

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Disclosures

O autor Romano Matthys é um funcionário da RISystem AG Davos, na Suíça, que produz os implantes, instrumentos e de consumo específicos de implantes usados ​​neste artigo. O autor Vaida Glatt não tem interesses financeiros concorrentes.

Acknowledgements

Este trabalho foi financiado pela fundação AO (S-08-42G) e RISystem AG.

Gostaríamos de estender um grande "muito obrigado!" a equipe de Stephan Zeiter no Instituto Davos AO Research, Suíça por ser tão confortáveis ​​em nos permitir usar suas ou instalações para as filmagens deste procedimento cirúrgico.

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) 

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References

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