Ajustable en dureza, fijador externo para los modelos de rata Fémur Osteotomía y segmentaria del defecto óseo

1Institute of Health and Biomedical Innovation, Queensland University of Technology, 2RISystem AG
Published 10/09/2014
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Medicine

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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

El entorno mecánico alrededor de la curación del hueso roto es muy importante, ya que determina la forma en que la fractura sane. Durante la última década ha habido un gran interés clínico en la mejora de la cicatrización ósea alterando el medio ambiente a través de la estabilidad mecánica de fijación alrededor de la lesión. Una limitación de la investigación animal preclínico en esta área es la falta de control experimental sobre el ambiente mecánico local dentro de un gran defecto segmental, así como osteotomías mientras se curan. En este trabajo se informe sobre el diseño y el uso de un fijador externo para estudiar la curación de defectos u osteotomías óseos segmentarios grandes. Este dispositivo no sólo permite la rigidez axial controlada en la lesión ósea a medida que sana, sino que también permite el cambio de la rigidez durante el proceso de curación in vivo. Los experimentos realizados han demostrado que los fijadores fueron capaces de mantener una brecha de 5 mm defecto femoral en ratas in vivo durante la jaula sin restriccionesla actividad durante al menos 8 semanas. Del mismo modo, se observó ninguna distorsión o infecciones, incluyendo infecciones PIN durante todo el período de cicatrización. Estos resultados demuestran que nuestra fijador externo de nuevo desarrollo fue capaz de lograr la estabilización reproducible y normalizado, y la alteración del medio mecánico de rata in vivo defectos óseos grandes y diversas osteotomías tamaño. Esto confirma que el dispositivo de fijación externa es muy adecuado para las investigaciones de la investigación preclínica utilizando un modelo de rata en el campo de la regeneración ósea y la reparación.

Introduction

Un número de estudios han mejorado nuestra comprensión de los mecanismos biológicos implicados en la reparación del tejido óseo 1-6. Los efectos de las condiciones mecánicas en la reparación ósea, tales como axial, de cizallamiento y los movimientos interfragmentarios (los MFI) se han estudiado ampliamente 7-15. En los últimos años, más y más estudios comenzaron a surgir describir la influencia del entorno mecánico en la cicatrización ósea utilizando la fractura, la osteotomía y la gran defecto óseo segmentario en modelos in vivo. Por lo tanto, se necesitan métodos de fijación fiables para obtener los resultados del estudio reproducibles y fiables.

El entorno mecánico alrededor de la fractura de curación es muy importante ya que determina la forma de la fractura se cura. Por lo tanto, la elección del dispositivo de fijación es muy importante y debe ser cuidadosamente seleccionado dependiendo del diseño del estudio, y otros factores tales como el tamaño del hueco, y el tipo de fractura. Propiedades mecánicas del dispositivo de fijación de unre aún más importante cuando se estudia la curación ósea de defectos óseos grandes para establecer una fijación que proporciona no sólo un tamaño de intervalo constante durante todo el período del experimento de soporte todo el peso, sino también un entorno mecánico ideal para la curación del hueso. Fijadores externos se utilizan comúnmente en grandes modelos experimentales de curación de la fractura y defecto óseo debido a que tienen una ventaja sobre otros dispositivos de fijación. La principal ventaja de fijadores externos son que permiten el cambio del entorno mecánico en el sitio del defecto in vivo sin una intervención secundaria, que puede conseguirse cambiando o ajustando la barra estabilidad del dispositivo durante el transcurso del experimento como la curación del hueso progresa. Además, permite la aplicación de la estimulación mecánica local específica para mejorar la reparación del hueso, y también proporciona el potencial para medir la rigidez del tejido de callo in vivo. Sin embargo, los dispositivos también tienen algunas desventajasque incluyen: irritación de los tejidos blandos, infecciones y el pin rotura.

Por desgracia, este tipo de implantes no estaban disponibles "off the shelf" en el momento de la elaboración de implantes, y los investigadores se vieron obligados a la costumbre de diseñar sus propios fijadores para un uso determinado. Por lo tanto, una restricción de la investigación en esta área fue la falta de control experimental sobre el entorno mecánico local dentro de un gran defecto segmentario, así como osteotomías mientras sana. Las características mecánicas de un fijador externo se definen por, y pueden ser modulados por un gran número de variables que incluyen: la distancia entre los pasadores, el diámetro del perno, material de pin, el número de pines, fijador longitud de la barra, el número de barras de fijador, material de fijador bar, espesor de la barra fijador y la distancia desde la superficie del hueso a la barra de fijador (offset). Sorprendentemente, sólo pocos estudios se pudo encontrar que han investigado las contribuciones mecánicas de los componentes individualesde fijadores o configuraciones del marco enteros utilizados en estudios con roedores 16,18,28. Por ejemplo, los resultados de un estudio mostraron que uno de los principales factores que contribuyen en la determinación de la rigidez total de la construcción de la fijación estaba dominado por la flexibilidad de las clavijas en relación con sus diámetros y materiales, propiedades de desplazamiento 28. Los resultados de los estudios mencionados sugieren claramente que el conocimiento del entorno mecánica proporcionada por el dispositivo de fijación es muy importante, y sin embargo, en muchos casos no se investiga en detalle. El presente documento se informa de la implantación del diseño, especificaciones, e in vivo de un fijador externo que se ocupa de esta cuestión. Este fijador también permite la modulación de la entorno mecánico como la curación progresa, una propiedad que permite el estudio de la mecano-sensibilidad de las distintas etapas del proceso de cicatrización in vivo. Además, así como la imposición de un mecánico local controlada y reproducibleal medio ambiente, su accesibilidad también permite la modulación de este entorno en diferentes etapas de la cicatrización ósea.

El fijador hemos diseñado se basa en la fijación externa, que es ampliamente utilizado para la fijación de la fractura 16-21 y grandes modelos de defectos en animales de experimentación 22-27. La diferencia entre nuestro fijador externo y el resto de los diseños existentes en la literatura es que su barra de estabilidad está asegurada con tornillos de tener un estricto control con agujas de Kirschner (K-cables). Este tipo de diseño requiere tornillos para volver a apretar cada dos semanas (a veces incluso semanal) para asegurarse de que se mantiene la distancia del desplazamiento como la carga se aplica a través de cojinete para evitar el aflojamiento de la barra de la estabilidad de peso. Si se produce tal aflojamiento, permite para condiciones de carga adicionales no deseados tales como angular, transversal y movimientos de cizallamiento de torsión a la curación del hueso (basado en la experiencia personal, la comunicación con researchers). Sabiendo esto, un fijador externo fue diseñado como tal que cuando la rigidez del fijador necesita ser cambiado, se lograría mediante la eliminación de elementos de conexión conectados al módulo principal, donde están incrustados los pasadores de montaje. El experimento piloto in vivo se realizó con el nuevo prototipo de fijador externo para asegurarse de que cumple todas las exigencias propuestas antes de que se fabrica en grandes cantidades.

El objetivo principal de este trabajo es presentar un nuevo método quirúrgico para un fijador externo utilizado para los grandes defectos óseos y osteotomías en la rata con la capacidad de cambiar la rigidez in vivo durante el proceso de curación. Este método de fijación se aplica in vivo en los fémures de las ratas.

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Protocol

Cuidado de los animales y los protocolos experimentales fueron seguidos de acuerdo con las directrices del NIH y aprobados por el Centro Médico Institucional Cuidado de Animales y el empleo Comisión Beth Israel Deaconess, de Boston, MA. (Número de protocolo: 098-2.009)

1 Preparación de materiales quirúrgicos e instrumentos

  1. Esterilizar todos los materiales quirúrgicos e instrumentos utilizados para llevar a cabo la cirugía antes de su uso. Empaque materiales necesarios, con o sin una bandeja de instrumentos, dentro de un paño doblado o papel envuelto y selle con cinta de autoclave para la esterilización por vapor. La temperatura de la autoclave debe ser de al 125-135 ° C durante 20-25 min de tiempo de esterilización, y luego 10-15 minutos de tiempo de secado.
  2. Asegúrese de que en el momento de la cirugía las ratas son de 200-250 g. Esto es muy importante porque si las ratas son más pesados ​​en tamaño, a continuación, un fijador de tamaño diferente debe ser utilizado. Para las ratas se debe utilizar la versión más pesado que 250 ga más grande del sistema de fijador externo.
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    2. Procedimiento quirúrgico y la aplicación del fijador externo

    1. Compra ratas Sprague-Dawley (o cualquier otra cepa) (machos o hembras, 200-250 g) de cualquier proveedor animales certificado. Siga los cuidados adecuados a los animales y los protocolos experimentales de acuerdo con las directrices nacionales que esté aprobado por el Comité Institucional Cuidado de Animales y el empleo del investigador. Permita un mínimo de periodo de aclimatación de 48 horas antes del procedimiento.
    2. Para la cirugía, el transporte de la rata a una sala dedicada a procedimiento quirúrgico.
    3. Anestesiar la rata con isoflurano primero a través de la cámara de inducción, y luego continuar con la mascarilla conectada a una máquina de anestesia a una velocidad de 1,5-2% en 1-1,5 L de O 2 / min. Al inicio de la cirugía asegurarse de que el animal es bajo anestesia profunda. Para ello, utilizar la técnica de reflejo pedal por extender la extremidad y pellizcar la tela entre los dedos con los dedos (no el propio dedo del pie!). El animal no es Dofficiently anestesiado si se retira el miembro, contracción muscular se produce o si el animal hace ruido.
    4. Después de la rata está bajo anestesia general profunda para la cirugía, se inyecta el antibiótico (cefazolina, 20 mg / kg) y el analgésico buprenorfina (dosis 0,08 mg / kg) por vía intramuscular en la pierna derecha. Para evitar gran cantidad de pérdida de fluido durante la cirugía administrar por vía subcutánea solución salina estéril caliente a 3-5% del peso corporal antes de la cirugía, y si es necesario al final. Aplicar ungüento oftálmico estéril para los ojos para mantenerlos hidratados para evitar lesiones de la córnea.
    5. Después de las inyecciones de medicamentos, afeitarse y limpiar toda la pata trasera derecha de la rata con chlorohezadine u otra solución de desinfección y transferir el animal a la mesa quirúrgica. (Sobre la pierna operada debe ser el mismo que el que fue inyectada.)
    6. Colocar el animal sobre una superficie caliente en la posición prona (Figura 1A). Asegúrese de que la mascarilla permanece en la nariz y la boca de popaer la transferencia a la mesa de operaciones, y mantener el régimen de anestesia se menciona en el punto 2.3). Coloque el área del procedimiento quirúrgico con un paño fenestrado estéril de modo que sólo la pierna destinado a la cirugía está expuesta.
    7. Hacer una incisión aproximada de 3-4 cm (Figura 1B) a través de la piel craneolateral corriendo sobre la superficie del fémur derecho desde el trocánter mayor a la región supracondílea de la rodilla usando un bisturí (Figura 1C). Exponer la diáfisis del fémur por la disección suave separar la fascia lata, y asegurarse de que el tejido muscular no se corta. Después de eso, separar además el vasto externo M. y M. bíceps femoral y levante la M. tensor de la fascia lata para exponer toda la longitud del fémur (asegurándose de que el nervio ciático se conserva; Figura 1D).
    8. En el área prevista de osteotomía, preparar el fémur a mitad de camino a lo largo de la zona de la diáfisis liberando el tejido muscular circundante de la Femur. En primer lugar, empezar por poner el ascensor Henahan perpendicular a la superficie expuesta del fémur, y luego usando un escalpelo, suelte el músculo en el área adyacente.
      1. Continuar avanzando hacia adelante y dar la vuelta al fémur, permanecer cerca de la superficie del hueso, hasta que todo el tejido muscular circundante se libera de toda la sección media del hueso (donde se creará el defecto), y el tejido muscular está completamente limpia del hueso. Mientras hace esto, es muy importante estar cerca de la superficie del hueso para evitar cortar las embarcaciones grandes.
    9. Para un 5 mm defecto óseo grande, bucle 2 piezas de sierra de alambre Gigli (0,22 mm) alrededor del hueso en la orientación de medio-lateral (Figura 1E, F). Después de la sierra de alambre en bucle, la posición de una pieza en el lado distal del fémur, cerca de la articulación de la rodilla, y una segunda pieza en el lado proximal cerca de la articulación de la cadera. Sujete el cable Gigli piezas en cada lado usando S-forma de disección curva y Ligatfórceps Ure, de modo que se queda en el lugar previsto. Si se planea un solo corte osteotomía, a continuación, utilizar sólo una pieza de sierra de alambre.
    10. Utilice la placa de fijador externo como plantilla para determinar la posición exacta del implante. La posición del fijador externo tiene que estar lo más cerca posible del centro del fémur.
      1. Coloque la placa de fijador externo en la superficie anterolateral del hueso. Esto se consigue mediante la rotación externa del fémur. En esa posición la capa de tejido blando está en su más delgado, lo que impide la excesiva tensión del tejido blando debajo de la placa fijador después de que la herida se cierra.
      2. Luego levante ligeramente la placa de fijación externa de la superficie del hueso para asegurarse de que los orificios de la placa se centran a la superficie ósea. Sostenga el fijador externo con una pequeña pinza para que se quede paralelo al eje longitudinal del hueso, y luego usar una herramienta eléctrica o un taladro de mano que perfore el primer agujero en la parte proximal del fémur con el 0,79mm broca. Antes de avanzar hacia adelante, asegúrese de que la punta de la broca todavía está centrado en la superficie del hueso.
      3. Si la punta de la broca sigue deslizándose, utilice el 1,00 mm contador cuerpo de desplazamiento (Figura 8F) para centrar la posición de la primera agujero. El lastre contador debe usarse para posicionar todos los pasadores de montaje restantes. Esto asegurará una perfecta alineación de los agujeros de perforación y la placa de fijador con respecto a la superficie del hueso.

    3. externa Fixator Implantación Método Utilización de la guía de sierra

    1. Asegúrese de que la placa del fijador externo no está montado al revés antes de la saturación en la guía de la sierra. Determinar esto comparando el tamaño de los orificios de la placa. El lado correcto es con el diámetro del agujero más grande hacia arriba. Si la diferencia entre el tamaño de los agujeros dentro del fijador no es aparente, utilizar la platina contador.
      1. Inserte la punta de la platina contador en uno de los agujeros enla placa de fijador, si el cuerpo de desplazamiento contador se ajusta fácilmente en el agujero, entonces este es el lado positivo del fijador, sin embargo, si la punta de la platina contador no encaja entonces este es un lado inferior del fijador, y tiene que ser volteado para la implantación en consecuencia.
        (Importante:.. Asegúrese de que para perforar perpendicular al eje longitudinal del hueso ya que esto asegurará una perfecta orientación del fijador a la superficie ósea La dirección de la primera perforación determina la orientación final del fijador en el hueso Recuerde que el pasadores de montaje tienen la misma longitud, y si el fijador no es paralelo al eje longitudinal del hueso de la distancia entre el fijador y el hueso pueden variar mucho y pueden impedir la capacidad de los cuatro pasadores de montaje para penetrar ambas corticales.)
      2. Después de que se confirmó la orientación, una pinza de la placa de la guía de sierra (Figura 2A, B) y luego cortar la unidad en el hueso de manera que el primer orificio pretaladradoestá alineado con el primer agujero en la placa (Figura 2C). Utilice el 0,70 mm llave de tubo cuadrado insertado en el taladro de mano para conducir el primer pasador de montaje en el agujero. Hacer esto le permitirá el posicionamiento reproducible para los pasadores de montaje restantes.
      3. Después de la primera clavija de montaje está en su lugar, a continuación, perforar el agujero más distante de la primera clavija de montaje en el lado distal, y conducir el segundo pasador de montaje en el agujero. El orden de la implantación de los dos pasadores de montaje medias no es importante.

    4. fijador externo Implantación Método Sin la guía de sierra:

    La aplicación del fijador externo también se puede realizar sin utilizar la guía de sierra. Los pasos iniciales de la implantación fijador externo son las mismas hasta la unidad con la guía de sierra se recorta en el hueso (paso 3.1). Si la guía de la sierra no se utiliza, es muy crucial para mantener la placa de fijador en la orientación correcta duranteel procedimiento de aplicación completa. El fémur necesita ser rotado externamente en la dirección anterolateral.

    1. Mantenga la placa de fijador externo con una pequeña abrazadera o en forma de S de disección curva y pinzas de ligadura de modo que sea paralelo al eje longitudinal del hueso (Figura 3A). La aplicación de la primera clavija de montaje va a determinar la alineación del fijador, por lo tanto, la rotación del hueso tiene que ser retenido hasta que se inserte el primer pasador (Figura 3B). Después de que el primer pasador está en su lugar, usar cuidadosamente las pinzas para sujetar la placa fijador que actúa como una guía de perforación.
    2. Inserte la broca en el segundo hoyo - este es el agujero más distal a la brecha de la osteotomía planificada (Figura 3C). Antes de taladrar, asegúrese de que el segundo agujero tiene la misma orientación que el primer hoyo; También asegúrese de que después de la perforación se ha completado, ambas corticales son penetrados.
    3. Inserte el 0,70 mm bo cuadradox llave para el taladro de mano y luego inserte el pasador de montaje en la punta. Con cuidado, la inserta en la placa del fijador externo sin perder la alineación del primer agujero previamente taladrado.
    4. Tan pronto como la punta está en contacto con el hueso, comenzará a girar la llave bajo carga axial continua aplicada al extremo proximal del taladro de mano. Después de aproximadamente 5 vueltas completas, asegúrese de que el hilo en el extremo proximal del pasador de montaje atrapa el cuerpo de la placa de fijador externo. Este hilo bloquea el sistema. Deje de girar cuando el extremo de la rosca de hueso está cerca de la superficie superior del hueso (Figura 3D).
    5. Después de los pines en la parte más distal y proximal están en su lugar, taladrar los dos agujeros del medio restantes. El orden de la implantación de las dos patillas centrales no es importante (Figuras 3C).
    6. Después de que el fijador externo está en su lugar, utilice el 0,22 mm de alambre Gigli vio dirigida por la guía de la sierra para hacer que el defecto segmentario (Figure 4A). Si se elige el último método, la guía de sierra se recorta antes de hacer un defecto.
      1. Para esto, pasar un alambre de 0,22 mm Gigli vio a través de las ranuras 2 debajo del fémur (Figura 5A) para crear un defecto segmentario 5 mm por el movimiento recíproco hacia atrás y adelante (Figura 5B) utilizando riego suficiente (uso de 5 ml jeringa para dispensar solución salina a el momento de la creación defecto). Para evitar daños en el tejido blando, corte la sierra de alambre cerca del hueso en un lado después de completar la osteotomía. Retire la guía de la sierra (Figura 4B).
    7. Después se crea el defecto o la osteotomía, retire la guía de sierra y cerrar la herida en capas, el músculo primero (Figura 4C), y luego la piel (Figura 4D). Antes de que la herida se cierra, tratar el defecto como estaba previsto en el protocolo de estudio. Cierre la capa muscular y la fascia lata utilizando Ethibond Vicryl 4-0, y la piel con Ethicon Monocryl 3-0 suture. Evitar arrastrar el material de sutura sobre superficies no estériles, mientras que la sutura de heridas. Nota: Para evitar herida morder, la sutura no debe extremo distal para el implante inferior. Asimismo, cola de piel se puede utilizar en lugar de una sutura.
    8. En los tres primeros días del postoperatorio, dar el analgésico rata cada 12 horas y antibiótico cada 24 horas. Por supuesto, el régimen post-operatorio de las drogas variará dependiendo de la marca y la marca de los fármacos utilizados por cada investigador (consulte las instrucciones de especificación de drogas).
    9. Monitorear los animales con frecuencia después del procedimiento para asegurarse de que se recuperen de la anestesia y sólo entonces a regresar a las instalaciones de la vivienda. Proporcionar vivienda solitario durante los primeros días después de la cirugía para asegurarse de que no hay complicaciones.
    10. Monitorear el agua, la ingesta de alimentos y el peso corporal después de la cirugía para asegurarse de que el animal no está en el dolor y la angustia. Si el animal muestra un nivel de disminución de la actividad, dificultad para movilizarse (posible fracaso del implante), ataxiuna, piel grasosa descuidado, tinción porfirina alrededor de los ojos y la nariz, postura encorvada, dificultad respiratoria, la ingesta reducida de alimentos y agua, etc, consulte a un veterinario.

    5. Cambio de External Fixator Rigidez En vivo

    1. Si el protocolo de estudio requiere el cambio de la rigidez del fijador durante el proceso de curación in vivo este se consigue cambiando los elementos de conexión asegurados con los tornillos de enclavamiento especiales usando 0,5 mm caja de llave cuadrada unida al taladro de mano. Para este procedimiento, anestesiar la rata (consulte el 2,3 en el protocolo) y dar la analgesia (consulte el 2,4 en el protocolo) sólo una vez en el momento del procedimiento (Figura 6A).
      1. Sedar a la rata, y luego insertar la punta de la llave de 0,50 mm caja cuadrada en el tornillo de enclavamiento unido al lado del fijador montado, y empezar con cuidado girando en sentido contrario a las agujas del reloj hasta que el pasador es media salida (Figura 6B (Figura 6C).
      2. Cuando los dos pines en el mismo lado son a media salida, el uso de fórceps o una pinza para eliminar el elemento de conexión en el lado opuesto con un movimiento suave (Figura 6D). El elemento de conexión debe salir fácil, si no lo hace, a continuación, hacer un par adicional de vueltas en los dos tornillos de enclavamiento para asegurarse de que la punta del tornillo de enclavamiento no está incrustada en el elemento de conexión.
      3. Después se retira el elemento de conexión, deslice el elemento de conexión rigidez deseada en lugar de la una eliminado (Figura 6E), y desde el lado opuesto con la llave de caja cuadrada comenzará a girar hasta que el tornillo de enclavamiento está a medio camino en el lado opuesto (figura 6F). Repita el mismo procedimiento para el segundo tornillo de bloqueo (Figura 6G). Importante: thse requerirán cambiar al lado opuesto de la placa para asegurarse de que los dos tornillos de enclavamiento están a mitad de camino en el lado en el que el elemento de conexión fue reemplazado (Figura 6H, I).
      4. Después de esta parte se completa con éxito, eliminar el segundo elemento de conexión (Figura 6J) y sustituirlo por el mismo elemento de conexión rigidez como el que sustituyó en el lado opuesto (Figura 6K). Después de que el segundo elemento de conexión está en su lugar, comenzar a conducir el tornillo de enclavamiento hasta que el extremo del tornillo de enclavamiento sale del lado opuesto de la placa, y la punta del tornillo de enclavamiento ha salido la misma cantidad en cada lado (Figura 6L). Repita el mismo procedimiento para el segundo tornillo de bloqueo (Figura 6 M, N). Este procedimiento dura alrededor de 15 minutos para completar.

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Representative Results

Especificaciones de diseño

Estabilización del fémur de rata con el sistema de fijación externa permite la creación de osteotomías de 0,5 a 5 mm. El sistema de fijación externa es un fijador externo bloqueado hecho de poliéter-éter-cetona (PEEK - [cuerpo principal]) y aleación de titanio-aluminio-niobio (TAN - [los pasadores de montaje]), que ofrece un diseño simple, reproducible y ajustable, y está disponible en cuatro rigideces diferentes: 10, 40, 70 y 100% (100% es el estándar, fijador más rígida (Figura 7) Dependiendo de los requisitos del estudio de cada investigador, si van a tener que hacer un ajuste de rigidez del implante in vivo como. la curación del hueso progresa, la placa de fijador externo viene ya sea como una pieza sólida (Figura 8) o con dos elementos de conexión (Figura 9A) y dos módulos principales (Figura 9B) se fija con dos tornillos de enclavamiento (Fi9C figura) que tienen que ser montado antes de la cirugía (Figura 10A-F). Los elementos de conexión son de diferente espesor, y por lo tanto la rigidez, y se desarrollaron para lograr la rigidez de fijación equivalente al 10% (0,75 mm de espesor), 40% (1,70 mm de espesor), 70% (2,10 mm de espesor) y 100% (2,50 mm de espesor; Figura 7). La rigidez fijador externo de 100% se calculó sobre la base del 200 g de peso corporal aproximado de una rata madura, y luego se multiplica por un factor de 4, a una masa igual de 800 g. Esto se hace para asegurarse de que después de la creación de un defecto de 5 mm, el fijador es capaz de soportar la carga de peso del animal, manteniendo así la alineación y prevenir la dislocación de fragmentos de defectos. Los tres rigideces del fijador restantes se disminuyó en un 30%, respectivamente, desde la más alta (100%) para tener una variedad de rigidez para los estudios con diversos fines.

Cada módulo principal tiene dos agujeros donde los pernos de montaje son inserted. La rigidez fijador se puede cambiar mientras se está todavía en el animal que vive cambiando los elementos de conexión fijados con tornillos especiales de enclavamiento (Figura 9C) con 0,5 mm Caja llave cuadrada (Figura 9H) unido al taladro de mano (Figura 9K). TAN (aleación de titanio) se utilizó para hacer para los pernos (Figura 9D) para fijar la barra de la estabilidad en el fémur (Figura 7) de montaje. El fijador se presenta en cuatro piezas y necesita ser montado antes de usarlo si un cambio de rigidez está destinado para el estudio (Figura 10A-F), si no, un solo fijador Pieced sólido debe ser utilizado. La distancia entre los tornillos exteriores es de 16 mm y la distancia entre los tornillos del medio es de 11 mm. Todos los agujeros están taladrados usando un 0,79 mm broca (Figura 9E). Los tornillos están bloqueados en los agujeros en el marco fijador principal, que es paralela a la superficie del hueso correspondiente y fijan a una distancia de 6 mm vaivénsoy el hueso (Figura 7).

Una guía de la sierra fue desarrollado para permitir la creación de una, reproducible, 5 mm defecto segmentario precisa en el fémur (Figura 9I); que también sirve como una guía de posicionamiento para la instalación del fijador externo. El bastidor principal del fijador externo se sujeta a la guía de sierra, y entonces todo el sistema se recorta en el hueso, como se muestra en la Figura 2B, C. La brecha de 5 mm se genera con un 0,22 mm Gigli hilo de sierra (Figura 9J). Tanto la guía de la sierra y la sierra de alambre Gigli se pueden esterilizar a 134 ° C. Si una osteotomía de diferente tamaño está diseñado para el estudio, con un diseño personalizado vio guía está disponible. Debido al tamaño miniatura del fijador externo, un conjunto especial de instrumentos de implantación fue diseñado y adquirido; un personalizado Broca 0,79 mm (Figura 9E), 1,00 mm contador lastre para la perforación previa de los agujeros (Figura 9F), 0,7 mm square cuadro de llave para la aplicación de los pasadores de montaje conectados al taladro de mano (Figura 9G), 0,5 mm caja de llave cuadrada para la aplicación de los tornillos de enclavamiento (Figura 9H), taladro de mano (Figura 9K). Un taladro Accu Pen (Figura 9D) también se desarrolló. El diámetro del núcleo de cada pasador de montaje es 0,02 mm más grande que la broca para garantizar un ajuste adecuado de los pasadores de montaje en el hueso. Cuando se utiliza junto con una punta de tornillo de auto-corte, esto se ha demostrado para prevenir el aflojamiento debido a la resorción superficie del hueso en la interfaz hueso-tornillo 29. La broca (Figura 9E) es operado por un taladro de Accu Pen eléctrica en miniatura que produce 2.500 rpm con una potencia de 500 mW (Figura 9L).

En experimentos in vivo

El examen radiológico confirmó que todos los fijadores de rigideces mantuvieron un 1 mm (no mostrado) o un 5 mm Fedefecto moral durante todo el 8 semanas del experimento (Figura 11). Esto era especialmente importante para los defectos de tamaño crítico de 5 mm, en los que no se produce la curación espontánea. No se observaron distorsiones o infecciones, incluyendo infecciones de pasador, y aflojamiento estuvo ausente si se siguen las instrucciones de la aplicación 30. Una complicación de usar el fijador externo se observó si el peso de la rata en el momento de la cirugía ha superado 250 g, y se utilizó una placa de tamaño más pequeño. En algunos de esos casos, la carga sobre los pasadores de montaje aumentó a un nivel crítico para que las retiradas de pasador se estaban produciendo en la parte distal del fémur en cualquier lugar de una semana a dos semanas después de la cirugía (Figura 12). Además de eso, si se usa un animal de tamaño más grande, el tejido muscular que rodea el fémur es relativamente gruesa, lo que crea tensión de la piel en la proximidad del implante después del cierre de la piel. Debido a la tensión de hinchamiento, cuando la piel startas para sanar que crea una sensación de picazón al animal produzca algunas de las ratas muerden el fijador. Dado que el fijador se crea a partir de material PEEK, que es básicamente plástico de alta densidad, en raras ocasiones, algunas ratas eran conocidos de masticar a través de él. Una vez más, con el fin de evitar esto, es muy importante para seleccionar el peso corporal recomendada para los estudios en animales o cambiar a la versión más grande de fijador externo.

Figura 1
Figura 1. Preparación quirúrgica del fémur de la rata. (A) rata colocada en la posición prona. (B) muestra la dirección de la incisión en el fémur. (C) muestra la incisión hecha en la piel para exponer el músculo. (D) muestra incisión a través del músculo para exponer fémur. ( E) Muestra una pequeña abrazadera colocada debajo del hueso para pasar a Gigalambre li. (F) Muestra alambre Gigli pasado debajo del hueso.

Figura 2
Figura 2. guía (A) Saw. (B) fijador externo recortado en la guía de sierra. (C) guía de sierra con el fijador externo enganchado al fémur.

Figura 3
Figura 3 Aplicación de fijador externo. (A) muestra la correcta aplicación de la primera clavija de montaje con la placa de descanso antero-lateral y paralelo al hueso - verde mano, y la aplicación incorrecta -. Mano roja (b) muestra la inserción de la primera clavija de montaje en la posición distal exterior . (c) muestra la inserción de la . restante pasadores de montaje que comienzan con la posición más proximal, seguido de los dos pasadores de montaje medias (d) muestra la inserción del pasador de montaje - más descripción detallada en la sección 4.4 del protocolo.

Figura 4
Figura 4. la implantación quirúrgica del fijador externo en el fémur de la rata. (A) Muestra la terminación del procedimiento quirúrgico con el fijador externo en su lugar con el alambre de Gigli. (B) demuestra creado 5 mm defecto segmental. (C) Demuestra capa muscular suturada con barra de estabilidad fijador externo expuesto. (D) demuestra la piel suturada con expuesta bar estabilidad fijador externo.

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Figura 5 (A) Posición inicial de alambre de Gigli para la creación de defectos. (B) Una imagen que muestra el movimiento recíproco de alambre de Gigli.

Figura 6
Figura 6. Cambio de fijador externo rigidez in vivo. (A) fijador externo implantado en el fémur. (B) muestra la extracción del primer tornillo de enclavamiento girando cuidadosamente en sentido contrario a las agujas del reloj hasta que el pasador es un medio camino de salida. (C) muestra la eliminación del segundo tornillo de enclavamiento girando cuidadosamente en sentido contrario a las agujas del reloj hasta que el pasador es un medio camino de salida. (D) demuestra la eliminación del elemento de conexión en el lado opuesto. (E) Demuestra sustitución de elemento de conexión rigidez deseada en lugar de la retirada. (F) Muestra cómo asegurar la primera sustituirá elemento de conexión desde el lado opuesto girando la llave de caja cuadrada hasta que el tornillo de enclavamiento está a medio camino por el lado opuesto. (G) Muestra cómo asegurar el segundo elemento de conexión reemplazado desde el lado opuesto girando la llave de caja cuadrada hasta que el tornillo de enclavamiento es medio camino del lado opuesto. (H, I) demuestra la conmutación hacia el lado opuesto de la placa para asegurarse de que los dos tornillos de enclavamiento están a mitad de camino en el lado donde la conexión elemento fue reemplazado. (J) Demuestra la retirada del segundo elemento de conexión. (K) Demuestra la sustitución del segundo elemento de conexión rigidez en lugar de la retirada. (L, M) Demuestra la conducción de los dos tornillos de enclavamiento hasta que las salidas de enclavamiento extremo del tornillo el lado opuesto de la placa. (N) demuestra procedimiento completó. Figura 7
Figura 7. Componentes de los fijadores externos Izquierda:. Rigidez está determinada por elementos de conexión de diferentes espesores. El fijador se une al hueso con clavijas de montaje aleación de titanio. Derecha: fijador Montado en su lugar en el fémur de rata con 5 mm defecto segmentario.

Figura 8
Figura 8. fijador externo como una unidad de una sola.

Figura 9
Figura 9. piezas e instrumentos diseñados para su uso con el fijador externo. (A) Dos elementos de conexión.Dos módulos principales (B). (C) dos tornillos de enclavamiento. (D) Cuatro clavijas de montaje. (E) Una broca de 0,79 mm. (F) A 1,00 mm contador de platina para la perforación previa de los agujeros. (G) A 0.7 mm cuadrados llave de tubo para la aplicación de las clavijas de montaje. (H) Un 0,5 mm cuadrado llave de tubo para la aplicación de los tornillos de bloqueo. (I) A 5 mm vio guía. (J) Un alambre Gigli 0,22 mm vio la creación de defecto. (K) Taladro de mano para la sujeción de brocas, 0,70 y 0,50 mm cuadrados llave de tubo. (L) AccuPen 6V + (Miniatura taladro pluma eléctrica) utiliza para impulsar las brocas.

Figura 10
Figura 10 Montaje del fijador externo. (A) 70% stelemento de conexión iffness. (B) El elemento de conexión y uno de los módulos principales. (C) muestra cómo uno de los módulos principales se desliza dentro del elemento de conexión. (D) Muestra cómo tanto de los módulos principales deslizarse en el interior del elemento de conexión . (E) Demuestra tanto de los módulos principales y los dos elementos de conexión en lugar de (F) demuestra la estabilidad bar totalmente montado -. módulos principales y elementos de conexión fijados con tornillos de enclavamiento.

Figura 11
Figura 11 En vivo imágenes de rayos X de defectos en ratas inmediatamente después de la cirugía y después de 8 semanas. Fijadores externos de los 3 rigideces se implantaron quirúrgicamente en los fémures de ratas y defectos segmentarios 5 mm creados. Los defectos fueron radiografiado inmediatamente después de la cirugía (t = 0) y al weeklintervalos anual hasta 8 semanas (t = 8 semanas), cuando se dio por terminado el experimento. Reproducido con el permiso de la revista ECM ( http://www.ecmjournal.org ). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 12
Figura 12. vivo imágenes de rayos X del defecto en la rata 9 días después de la cirugía con los clavos distales se retiró (en el momento de la cirugía, el peso corporal de la rata fue de 340 g) En. Haga clic aquí para ver una mayor versión de esta figura.

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Discussion

Los pasos más críticos de un procedimiento quirúrgico para crear un gran defecto óseo son: 1) la elección del peso corporal apropiado de la rata para que coincida con el tamaño del fijador externo; 2) mantener un entorno estéril durante el procedimiento; y 3) siguiendo el protocolo procedimiento quirúrgico.

Los principales objetivos de este estudio fueron para diseñar, fabricar y caracterizar una nueva, rigidez variable fijador externo para el modelo de defecto femoral rata grande, y para utilizar este fijador en la determinación de la interacción entre factores biológicos y mecánicos durante el proceso de curación. Las propiedades mecánicas de los nuevos fijadores se examinaron en tres niveles y la caracterización de los fijadores se publica en un manuscrito diferente 30. Los fijadores también se aplicaron a fémures de rata y su rendimiento in vivo monitoreados radiográficamente durante 8 semanas con y sin el tratamiento 30,31.

El i primariaNNOVACIÓN de este fijador es su capacidad de intercambiar los elementos de conexión de barras de estabilidad para seleccionar diferentes rigideces, estandarizados. Dado que los elementos de conexión de la barra de estabilidad pueden ser intercambiados, mientras que el dispositivo está conectado a la animal, la rigidez se puede ajustar en diferentes etapas durante el proceso de curación. Los elementos de conexión se intercambian uno a la vez para evitar la desalineación de los bordes del defecto y la destrucción del tejido recién formado como se describe en el protocolo. Actualmente, cuatro rigideces diferentes están disponibles, pero rigideces adicionales puede lograrse simplemente por pedir diferentes elementos de conexión de diferentes espesores a través del productor del sistema de implante.

Los pasadores de montaje y el marco principal se hicieron de TAN y PEEK, respectivamente, debido a que estos materiales ya se utilizan para implantes ortopédicos en los seres humanos y su biocompatibilidad está bien establecida. Estos materiales también permiten imágenes in vivo en elprimeras etapas de la reparación de la fractura con una distorsión mínima, y una incidencia reducida de infecciones. experimentos in vivo confirmaron que los fijadores permiten una clara imagen y mantienen una brecha segmentaria 5 mm por lo menos 8 semanas sin infección o aflojamiento.

Como una característica de diseño adicional, el fijador tiene un desplazamiento de 6 mm de la superficie del hueso a la barra de estabilidad no importa preestablecido, que la rigidez se utilizan elementos de conexión. Esta característica hace que la implantación del fijador muy reproducible. Otra ventaja importante respecto a los diseños alternativos descritos en la literatura 1,18,26,27, es que el nuevo fijador externo fue diseñado para tener una masa mínima (0,32 g) para evitar la carga incontrolada debido a la inercia. Además, después de la implantación y sutura de la piel, la holgura entre la barra transversal del implante y la piel es de sólo 2 mm. Tal proximidad a la superficie de la piel minimiza el momento de fuerza, lo que impide la posibilidad deuna carga adicional dentro del defecto distinto del destinado desde el fijador externo. Además, para mantener el trauma quirúrgico bajo, convencional y sierras rotatorias no fueron considerados como herramientas para la creación de osteotomías grandes o pequeñas. Estas sierras ya sea cortar en el tejido adyacente o tira el periostio cuando se retraen los tejidos. En el pasado hemos utilizado una fresa dental 4,5 mm vio para crear defectos 5 mm y se encontró que era imposible crear defectos exactas y reproducible tamaño con extremos paralelos 22,26,27. Para evitar todos estos problemas que nos llevó una ventaja de la sierra de alambre Gigli de 0,22 mm. La guía de la sierra fue desarrollado para crear reproducible defectos precisos con extremos paralelos.

Hay algunas limitaciones cuando se utiliza esta técnica. Una de las principales preocupaciones al utilizar este fijador externo es la posibilidad mencionada en la sección de resultados, que las ratas pueden masticar a través de la placa de fijador externo, que está hecho de PEEK. Sin embargo, una especificacióncubierta metálica al Recientemente se ha desarrollado por el productor del fijador para evitar que esto suceda. Del mismo modo, un collar isabelino se puede utilizar para el primer par de semanas después de la cirugía para evitar que el animal mastica. Una preocupación adicional es que si un defecto óseo vacío se utiliza para el estudio, hay una posibilidad de que los pasadores de montaje pueden sacar de la médula varias semanas después de la cirugía. Además, es crucial que el fijador se implanta en la orientación exacta que se describe en el protocolo. Si las instrucciones no se siguen cuidadosamente, hay un gran riesgo de que el entorno mecánico proporcionado por el fijador rigidez específica no será como se pretendía, e introducirá un error, dando resultados falsos.

Los fijadores que se describen en este trabajo permiten a los investigadores para llevar a cabo los experimentos que son necesarios para determinar empíricamente los efectos de diversos entornos mecánicos y / o mecánicas (rigidez) de modulación en buna cicatrización en grandes defectos u osteotomías 30,31. Además, la tecnología fijador externo puede ser utilizado en diversos estudios en los que diferentes productos farmacéuticos y biomateriales se ponen a prueba para descubrir nuevas terapias no sólo para fracturas complejas, sino también para el tratamiento de fracturas estándar con el fin de acelerar el proceso de curación.

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Disclosures

El autor Romano Matthys es un empleado de RISystem AG Davos, Suiza, que produce los implantes, instrumentos y consumibles específicos de implantes utilizados en este artículo. El autor Vaida Glatt no tiene intereses financieros en competencia.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por la Fundación AO (S-08-42G) y RISystem AG.

Nos gustaría extender un gran "¡gracias!" para el equipo de Stephan Zeiter en el Instituto de Investigación AO Davos, Suiza por ser tan complaciente en permitirnos usar sus instalaciones OR para la filmación de este procedimiento quirúrgico.

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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