Justerbar Stelhet, extern fixeringsanordning för Rat lårben osteotomi och segment bendefekt Models

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

Den mekaniska miljön kring läkningen av brutna ben är mycket viktigt eftersom det avgör hur frakturen läker. Under det senaste årtiondet har det varit stort kliniskt intresse att förbättra benläkning genom att ändra den mekaniska miljön genom fixerings stabilitet runt lesionen. En begränsning av den prekliniska djur forskningen inom detta område är bristen på experimentell kontroll över den lokala mekaniska miljön i en stor segmentdefekt samt osteotomier som de läker. I denna uppsats rapporterar vi om utformning och användning av en extern fixeringsanordning för att studera läkning av stora segment bendefekter eller osteotomier. Den här enheten kan inte bara kontrollerad axiell styvhet med ben lesion som det läker, men det gör också förändringen av styvhet under läkningsprocessen in vivo. De utförda experiment har visat att fixators kunde upprätthålla en 5 mm lårbens defekt gap hos råttor in vivo under obegränsad burverksamheten under minst 8 veckor. Likaså observerade vi någon snedvridning eller infektioner, inklusive stift infektioner under hela läkningsperioden. Dessa resultat visar att vår nyutvecklade extern fixeringsanordning kunde uppnå reproducerbart och standardiserat stabilisering, och ändringen av den mekaniska miljön in vivo rått stora bendefekter och olika storlek osteotomier. Detta bekräftar att den yttre fixeringsanordningen är väl lämpad för preklinisk forskning undersökningar med hjälp av en råttmodell på området för benregenerering och reparation.

Introduction

Ett antal studier har förbättrat vår förståelse av de biologiska mekanismer som är involverade i benvävnad reparation 1-6. Effekterna av mekaniska förhållanden på benreparation såsom axiell, skjuvning och interfragmentary rörelser (IFMs) har studerats ingående 7-15. Under de senaste åren har fler och fler studier började växa fram som beskriver inverkan av mekanisk miljö på benläkning med hjälp av fraktur, osteotomi och stora segment bendefekt in vivo-modeller. Därför behövs tillförlitliga fixeringsmetoder för att få reproducerbara och tillförlitliga studieresultat.

Den mekaniska miljön runt läkande frakturer är mycket viktigt eftersom det avgör hur frakturen läker. Sålunda är valet av fixeringsanordningen mycket viktigt och bör noggrant väljas beroende på studiedesign, och andra faktorer, såsom gap storlek och typ av fraktur. Fixeringen enhetens mekaniska egenskaper enre ännu viktigare när man studerar den beniga läkning av stora bendefekter att etablera en fixering som ger inte bara ett konstant gapstorlek hela experimentet period full viktbelastning, men också en idealisk mekanisk miljö för läkningen ben. Externa fixeringar används ofta i frakturer och stora bendefekt experimentella helande modeller eftersom de har en fördel framför andra fixeringsanordningar. Den största fördelen med externa fixators är att de möjliggör byte av den mekaniska miljön på skadestället in vivo utan en sekundär intervention, vilket kan uppnås genom att förändra eller justera stabiliteten bar av enheten under försöket som benläkning skrider. Dessutom tillåter den att tillämpa särskilda lokala mekanisk stimulering för att öka reparation av ben, och ger dessutom möjligheten att mäta styvheten kallusvävnad in vivo. Ändå enheterna har också några nackdelarsom inkluderar: irritation i mjukvävnad, infektioner och pin brott.

Tyvärr, sådana implantat inte var tillgängliga "från hyllan" vid tidpunkten för implantatutvecklingen, och utredare tvingades skräddarsy sina egna fixeringar för viss användning. Därför en begränsning av forskning inom detta område var bristen på experimentell kontroll över den lokala mekaniska miljön i en stor segmentdefekt samt osteotomier som det läker. De mekaniska egenskaperna hos en extern fixeringsanordning definieras av, och kan moduleras av ett stort antal variabler som inkluderar: avståndet mellan stiften, pin diameter stift material, antalet stift, fixator svärdslängd, fixator bar nummer, fixator bar material, fixa bar tjocklek och avståndet från benytan till fixator bar (offset). Överraskande nog kunde endast en bristen på studier hittas som har undersökt de mekaniska bidragen av de individuella komponenternaav fixators eller hela frame konfigurationer som används i studier på gnagare 16,18,28. Till exempel visade en studiens resultat att en av de viktigaste bidragande faktorerna för den totala styvhet fixeringskonstruktionen dominerades av flexibiliteten av stiften i förhållande till deras offset, fastigheter 28 diameter och materiella. Resultaten från de ovan nämnda studier tyder tydligt att känna den mekaniska miljön från fixeringsanordningen är oerhört viktigt, och ändå, i många fall inte undersöks i detalj. Den nuvarande papperet rapporterar konstruktion, specifikationer och in vivo implantation av en extern fixeringsanordning som behandlar denna fråga. Denna fixeringsanordning möjliggör också för modulering av den mekaniska miljön som läkningen fortskrider, en egenskap som möjliggör studiet av mekaniska-känsligheten av olika stadier av läkningsprocessen in vivo. Dessutom, liksom införande av en kontrollerad och reproducerbar lokala mekanikeral miljön, tillgängligheten möjliggör också modulering av denna miljö i olika skeden av benläkning.

Den fixering vi utformat baserades på extern fixation, som ofta används för frakturfixering 16-21 och stora defekt modeller på försöksdjur 22-27. Skillnaden mellan vår yttre fixeringsanordning och andra befintliga konstruktioner som rapporterats i litteraturen är att deras stabilitet bar är fäst med skruvar för att få ett fast grepp med Kirschnertrådar (K-tråd). Denna typ av design kräver skruvar efterdras varannan vecka (ibland varje vecka) för att se till att avståndet förskjutningen bibehålls eftersom belastningen påförs genom viktbärande att förhindra uppluckring av stabilitetsfältet. Om en sådan lossning sker, gör det för oönskade ytterligare belastningsförhållanden såsom kantig, tvärgående och vrid skjuvrörelser till helande benet (baserat på personliga erfarenheter, kommunikation med researchers). Att veta detta, har en extern fixeringsanordning utformad som så att när styvhet fixator behöver ändras, det skulle kunna uppnås genom att ta bort anslutningselement kopplade till huvudmodulen där monteringsstiften är inbäddade. In vivo pilotprojekt genomfördes med den nya yttre fixa prototyp för att se till att den uppfyller alla föreslagna krav innan den tillverkas i större kvantiteter.

Huvudsyftet för denna uppsats är att presentera en ny kirurgisk metod för en extern fixeringsanordning som används för stora bendefekter och osteotomier i råtta med möjlighet att ändra styvhet in vivo under läkningsprocessen. Denna fixering metod tillämpas in vivo på lårbenen hos råttor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Djuromsorg och experimentella protokoll följdes enligt NIH riktlinjer och godkänts av Beth Israel Deaconess Medical Center Institutional Animal Care och användning kommittén, Boston, MA. (Protokoll nummer: 098-2009)

1 Beredning av kirurgiska material och instrument

  1. Sterilisera alla kirurgiska material och instrument som används för att utföra operationen före användning. Packa nödvändiga material, med eller utan ett instrument fack, i en hopvikt tyg eller inslagna papper och försegla med autoklav tejp för ångsterilisering. Temperaturen i autoklaven bör vara 125-135 ° C under 20 till 25 min av steriliseringstiden, och sedan 10 till 15 min av torktid.
  2. Se till att vid tidpunkten för kirurgi råttorna är 200-250 g. Detta är mycket viktigt eftersom om råttorna är tyngre i storlek, sedan en annan storlek fixator bör användas. För råttor bör användas tyngre än 250 ga större version av extern fixeringsanordning systemet.
  3. </ Ol>

    2 kirurgiska ingrepp och Tillämpning av extern fixeringsanordning

    1. Köp Sprague-Dawley (eller någon annan stam) råttor (manliga eller kvinnliga, 200-250 g) från en certifierad djurleverantör. Följ lämplig djuromsorg och experimentella protokoll i enlighet med nationella riktlinjer som godkänts av utredarens Institutional Animal Care och användning kommittén. Låt det gå minst 48 timmar acklimatiseringsperiod före ingreppet.
    2. För kirurgi, transportera råtta till en dedikerad kirurgisk procedur rum.
    3. Söva råttan med isofluran först via induktionskammare, och sedan fortsätta med ansiktsmask ansluten till en anestesimaskin med en hastighet av 1,5-2% under 1-1,5 liter O2 / min. I början av operationen se till att djuret är under djup anestesi. För att göra detta använder pedal reflex teknik genom förlänga lemmen och nyper banan mellan tårna med fingrarna (inte på tå i sig!). Djuret är inte sufficiently sövda om extremiteten dras tillbaka, sker muskel rycka eller om djuret gör ljud.
    4. Efter råttan är under fullständig bedövning för kirurgi, injicera den antibiotiska (cefazolin, 20 mg / kg) och den analgetiska buprenorfin (dosering 0,08 mg / kg) intramuskulärt i höger ben. För att undvika stora mängder vätskeförlust under operationen administrera varma steril saltlösning subkutant i 3-5% av kroppsvikten före operationen, och om det är nödvändigt i slutet. Applicera steril ögonsalva till ögonen för att hålla dem hydratiserade för att förhindra skada på hornhinnan.
    5. Efter läkemedelsinjektioner, raka och rengöra hela högra bakbenet på råtta med chlorohezadine eller annan desinfektionslösning och för över djuret till operationsbordet. (Benet opereras måste vara samma som det som injicerades.)
    6. Placera djuret på en uppvärmd yta i liggande läge (Figur 1A). Se till ansiktsmasken kvar på näsa och mun akteruter överföringen till operationsbordet, och underhålla anestesi regim som nämns i 2.3). Drape området för den kirurgiska proceduren med en steril fenestrerat drapera så att endast benet avsedda för kirurgi är exponerad.
    7. Gör en ungefärlig snitt av 3-4 cm (figur 1B) genom huden rinnande craniolateral på ytan av den högra lårbenet från trochanter major till Supracondylar regionen av knäet med användning av en skalpell (Figur 1C). Exponera axeln av lårbenet genom försiktig dissektion separera fascia lata, och se till att muskelvävnaden inte klipps. Efter det, separera isär M. vastus lateralis och M. biceps femoris och lyft M. tensor fasciae latae att exponera hela längden av lårbenet (se till att ischiasnerven bevaras; Figur 1D).
    8. I det planerade området osteotomi, förbereda lårbenet längs mitt område av diaphysis genom att släppa den omgivande muskelvävnad från feMur. Först börja med att sätta Henahan hissen vinkelrätt mot den exponerade ytan av lårbenet, och sedan med hjälp av en skalpell, släpper muskeln i det angränsande området.
      1. Fortsätt genom att avancera framåt och gå runt i lårbenet, vistas nära benet ytan, tills all omgivande muskelvävnad frigörs från hela mellersta delen av benet (där felet kommer att skapas), och muskelvävnaden är helt rensade från benet. Medan du gör detta, är det mycket viktigt att bo nära till benet yta för att undvika att skära några större fartyg.
    9. För en 5 mm stor bendefekt, loop 2 st Gigli trådsågen (0,22 mm) runt benet i medio-lateral riktning (figur 1E, F). Efter looping trådsågen, läge ett stycke på den distala sidan av lårbenet, nära knäleden, och ett andra stycke på den proximala sidan nära höftleden. Kläm fast Gigli tråden såg bitar på varje sida med hjälp av S-form böjd dissekera och Ligature pincett, så att den håller sig på avsedd plats. Om ett enda snitt osteotomi planeras, då endast använda en bit ståltråd sågen.
    10. Använd extern fixeringsanordning plattan som mall för att bestämma den exakta positionen av implantatet. Positionen för den externa fixeringsanordning måste vara så nära som möjligt till mitten av femur.
      1. Placera extern fixeringsanordning plattan på den anterolaterala ytan av benet. Detta uppnås genom att externt roterande lårbenet. I den positionen den mjuka vävnaden skiktet är på dess tunnaste, vilket förhindrar överdriven spänning mjuk vävnad under fixator plattan efter såret stängs.
      2. Sedan något lyft extern fixeringsanordning plattan av Ben ytan för att se till att hålen i plattan är centrerade till benet ytan. Håll extern fixeringsanordning med en liten klämma för att hålla parallellt med längdaxeln i benet, och sedan använda ett elverktyg eller en handborr för att förborra det första hålet på den proximala sidan av lårbenet med 0,79mm borr. Innan avancera framåt, se till att spetsen på borret fortfarande är centrerad på benytan.
      3. Om spetsen på borren håller halka, använd 1,00 mm räknaren sänke (Figur 8F) att centrera position det första hålet. Räknaren sänke bör användas för att placera alla återstående fäststift. Detta kommer att säkerställa en perfekt anpassning av borrhålen och fixator plattan i förhållande till benet ytan.

    3 extern fixeringsanordning Implantation Metod Använda Saw Guide

    1. Se till att plattan av extern fixeringsanordning inte är monterad upp och ned innan klippa det på sågen guide. Bestäm detta genom att jämföra storleken av hålen på plattan. Den korrekta sidan är med det större hålets diameter uppåt. Om skillnaden mellan storleken på hålen i fixeringsanordningen inte är uppenbart, använder räknaren lodet.
      1. In spetsen på räknaren sänke i ett av hålen påfixeringsanordningen plattan, om disken lodet passar lätt in i hålet så är detta upp av fixator, men om spetsen på disken lodet inte passar så är det en bottensida fixator, och måste vändas för implantation i enlighet därmed.
        (Viktigt:.. Se till att borra vinkelrätt mot längdaxel benet eftersom detta kommer att säkerställa en perfekt orientering av fixeringen till benet ytan Riktningen på första borrhålet bestämmer den slutliga orienteringen av fixator med ben Minns Monteringsstiften är av samma längd, och om fixeringsanordningen inte är parallell med den längsgående axeln av benet avståndet mellan fixeringsorganet och benet kommer att variera för mycket och skulle kunna förhindra förmågan hos alla fyra monterings stift att penetrera båda cortex.)
      2. Efter orienteringen bekräftas clip plattan på sågen guide (figur 2A, B) och därefter fästa enheten på benet så att den första förborrade håletär i linje med det första hålet på plattan (Figur 2C). Använd 0,70 mm i fyrkant hylsnyckeln införd i handborr för att driva den första monteringsstiftet i hålet. Att göra detta kommer att möjliggöra reproducerbar positionering för resterande fäststiften.
      3. Efter den första monteringstappen är på plats, sedan borra den mest avlägsna hål från den första monteringstapp på den distala sidan, och driva den andra monteringsstiftet i hålet. Implantationen ordning av de två mittersta monteringstapparna är inte viktigt.

    4. extern fixeringsanordning Implantation Method Utan Saw Guide:

    Tillämpningen av extern fixeringsanordning kan också utföras utan användning av sågen guide. De börjar stegen i extern fixeringsanordning implantation är desamma fram till enheten med sågen guide är klippt med ben (steg 3.1). Om sågen guiden inte används, är det mycket viktigt att hålla fixator plattan i rätt riktning underhela ansökningsförfarandet. Lårbenet måste externt roteras i den anterolaterala riktningen.

    1. Håll extern fixeringsanordning platta med en liten klämma eller S-form krökta dissekera och ligatur pincett så att den är parallell med den längsgående axeln av benet (figur 3A). Tillämpningen av den första monteringsstiftet bestämmer inriktningen av fixator har därför rotation av ben som skall bevaras fram till första stiftet sätts in (Figur 3B). Efter det första stiftet är på plats, noggrant använd pincett för att hålla fixeringsanordningen plattan som fungerar som en borrstyrning.
    2. Sätt borren i det andra hålet - detta är den mest distala hålet till den planerade osteotomi gapet (figur 3C). Innan borrning, kontrollera att se till att det andra hålet har samma orientering som det första hålet; också se till att efter borrningen är klar, är båda cortex penetreras.
    3. Sätt i 0,70 mm i fyrkant box nyckel till handborr och sedan in fäststiftet i spetsen. Försiktigt in den i plattan för extern fixeringsanordning utan att förlora inriktningen av den första förborrade hålet.
    4. Så snart som spetsen är i kontakt med benet, börja vrida nyckeln under kontinuerlig axiell belastning anbringas på den proximala änden av handborr. Efter ca 5 varv, se till att tråden vid den proximala änden av monteringsstiftet fångar extern fixeringsanordning plattan kropp. Denna tråd låser systemet. Sluta vrida när slutet av benet tråden ligger nära den övre ytan av benet (Figur 3D).
    5. Efter stiften på de distala och proximala sidan är på plats, förborra de återstående två mittersta hålen. Implantationen ordning av de två mittersta stiften inte är viktigt (fig 3C).
    6. Efter den externa fixator är på plats, använd 0,22 mm Gigli linsåg regisserad av sågen guide till att göra segmentdefekt (Figure 4A). Om den senare metoden väljs, är sågen guiden klippt innan en defekt.
      1. För detta, passerar en 0,22 mm Gigli tråd såg genom de två spåren på undersidan av lårbenet (figur 5A) för att skapa en 5 mm segmentdefekt genom ömsesidig rörelse fram och tillbaka (figur 5B) med tillräcklig bevattning (använd 5 ml spruta för att fördela saltlösning vid tiden för defekten skapande). För att undvika skador på mjukdelar, skär sågen kabeln nära benet på ena sidan efter avslutad osteotomi. Ta sågen guiden (Figur 4B).
    7. Efter skapas felet eller osteotomi, ta bort sågen guide och stänga såret i skikt, muskeln först (Figur 4C), och sedan huden (Figur 4D). Innan såret är stängd, behandla felet som planerat i studieprotokollet. Stäng muskelskiktet och fascia lata använder Ethibond Vicryl sutur 4-0, och huden med Ethicon Monocryl 3-0 sRAMTIDA. Undvik att dra suturmaterial över icke-sterila ytor samtidigt suturering sår. OBS: För att undvika sår bita måste sutur inte sluta distalt om lägre implantatet. På samma sätt kan huden lim användas i stället för en sutur.
    8. På de tre första postoperativa dagarna, ge råttan smärtstillande var 12 timmar och antibiotikum varje 24 tim. Naturligtvis kommer den postoperativa regimen av droger varierar beroende på märke och märke av de läkemedel som används av varje utredare (se narkotikaspecifikationsinstruktioner).
    9. Övervaka djur ofta efter ingreppet för att se till att de återhämta sig från anestesi och först därefter återföra dem till bostadsanläggningen. Ge ensamma bostäder för de första dagarna efter operationen för att säkerställa att det inte finns några komplikationer.
    10. Övervaka vatten, födointag och kroppsvikt efter operationen för att se till att djuret inte är i smärta och ångest. Om djuret visar en minskad aktivitetsnivå, svårt att förflytta sig (eventuellt implantat misslyckande), ataxia, ovårdad fet päls, porfyrin färgning runt ögon och näsborrar, puckelryggig kroppshållning, andnöd, minskat intag av mat och vatten, etc. konsultera en veterinär.

    5. Förändring av extern fixeringsanordning Stelhet In vivo

    1. Om studieprotokollet kräver byte av fixeringsanordningen styvhet under läkningsprocessen in vivo uppnås detta genom att ändra de anslutningselementen säkrade de särskilda lapp skruvarna med 0,5 mm fyrkantig nyckel box ansluten till handborr. För denna procedur, söva råttan (se 2.3 i protokollet) och ge smärtlindring (se 2.4 i protokollet) endast en gång vid tiden för förfarandet (figur 6A).
      1. Söva råttan, och sedan in spetsen på 0,50 mm rutan skiftnyckel i den samverkande skruven sitter på sidan av den monterade fixator, och börja försiktigt vrida den moturs tills stiftet är halvvägs ut (figur 6B (figur 6C).
      2. När båda stiften på samma sida är halvvägs ut använder pincett eller en klämma för att ta bort anslutningselementet på motsatta sidan med en mjuk rörelse (figur 6D). Anslutningen elementet ska lossna lätt, om det inte, gör sedan ytterligare ett par varv på båda samverkande skruvar för att se till att spetsen på förregling skruven inte är inbäddad i anslutningselementet.
      3. När anslutningen elementet tas bort, skjuter den önskade styvheten anslutningselement i stället för den avlägsnade en (figur 6E), och från den motsatta sidan med användning av den fyrkantiga hylsnyckeln börja vända tills blockeringsskruven är halv väg ut på den motsatta sidan (Figur 6F). Upprepa samma procedur för den andra samverkande skruven (Figur 6G). Viktigt: eär kommer att kräva att byta till den motsatta sidan av plattan för att se till att båda samverkande skruvar är halvvägs ut på den sida där anslutningen elementet ersattes (figur 6H, I).
      4. Efter denna del är avklarad, ta bort det andra anslutningselementet (Figur 6J) och ersätta den med samma styvhet anslutningselementet som den som ersätts på motsatt sida (Figur 6K). Efter det andra kopplingselementet är på plats, börjar köra blockeringsskruven tills samverkande skruvänden lämnar den motsatta sidan av plattan, och blockeringsskruven spetsen har lämnat lika mycket på varje sida (figur 6L). Upprepa samma procedur för den andra samverkande skruven (Figur 6 M, N). Denna procedur tar ungefär 15 minuter att slutföra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Designspecifikationer

Stabilisering av råttans lårben med den externa fixeringssystem möjliggör skapandet av osteotomier 0,5-5 mm. Den externa fixator systemet är ett låst extern fixeringsanordning gjord av polyetereterketon (PEEK - [huvuddelen]) och titan-aluminium-niob-legering (TAN - [monteringsstiften]), vilket ger en enkel, reproducerbar och justerbar design, och finns i fyra olika styvheter: 10, 40, 70 och 100% (100% är standarden, styvaste fixator (Figur 7), beroende på varje utredarens studiekrav, om de kommer att behöva göra implantat styvhet justering in vivo som. benet läka fortskrider, den externa fixator plattan kommer antingen som ett stycke (Figur 8) eller med två anslutningselement (figur 9A) och två huvudmoduler (figur 9B) fast med två skruvar samverkande (Fi-gur 9C) som måste monteras före operation (Figur 10A-F). Kopplingselementen är av olika tjocklek och därmed styvhet, och har utvecklats för att uppnå fixering styvhet motsvarande 10% (0,75 mm tjock), 40% (1,70 mm tjock), 70% (2,10 mm tjock) och 100% (2,50 mm tjock, Figur 7). Den externa fixator styvhet 100% beräknades baserat på 200 g ungefärlig kroppsvikt av en mogen råtta, och sedan multipliceras med en faktor 4, vars vikt är lika med 800 g. Detta gjordes för att säkerställa att efter att en 5 mm defekt, är fixeringsanordningen i stånd att motstå de viktbärande av djuret, och därigenom bibehålla inriktning och förhindra dislokation av defekt fragment. De återstående tre fixastyv minskade med 30% respektive från den högsta (100%) för att ha en mängd olika styvheter för studier med olika syften.

Varje huvudmodul har två hål där Monterings Pins är Inserted. Den fixator styvhet kan ändras medan det fortfarande sitter i levande djur genom att ändra de anslutningselementen säkrade med speciella skruvar sammankopplade (figur 9C) med 0,5 mm fyrkantig nyckel box (Figur 9H) fäst vid handborr (Figur 9K). TAN (titanlegering) användes för att göra för att montera stift (figur 9D) för att säkra stabiliteten fältet till lårbenet (Figur 7). Den fixering finns i fyra bitar och måste monteras före användning om en styvhet förändring är avsedd för studien (Figur 10A-F), om inte, bör ett enda fast pusslas fixator användas. Avståndet mellan de yttre skruvarna är 16 mm och avståndet mellan de mitt skruvar är 11 mm. Alla hål är förborrade med hjälp av en 0,79 mm borr (figur 9E). Skruvarna är låsta i motsvarande hål i huvud fixator ramen, som är parallellt med benytan och satt på ett avstånd av 6 mm from benet (Figur 7).

Såg guide utvecklades för att möjliggöra skapandet av en noggrann, reproducerbar, 5 mm segmentdefekt i lårbenet (figur 9I); den tjänar också som en positioneringsguide för installationen av extern fixeringsanordning. Huvudramen av extern fixeringsanordning är klippt på till sågenboken, och sedan hela systemet är fast på benet som visas i fig 2B, C. Den 5 mm spalt genereras med en 0,22 mm Gigli trådsåg (figur 9J). Både sågen guiden och Gigli trådsågen kan autoklaveras vid 134 ° C. Om en annan storlek osteotomi är avsedd för studien, en specialdesignad såg guide finns. På grund av den miniatyr storlek extern fixeringsanordning, var en speciell uppsättning av implantation instrument utformade och förvärvad; en anpassad 0,79 mm borr (figur 9E), 1.00 mm räknare sänke för förborrning av hålen (figur 9F), 0,7 mm square nyckel box för tillämpning av monteringsstiften fästa vid handborr (figur 9G), 0,5 mm fyrkantig nyckel låda för tillämpning av de samverkande skruvar (Figur 9H), handborr (Figur 9K). En Accu Pen borr (figur 9L) utvecklades också. Kärnan diameter varje monteringsstift är 0,02 mm större än borrkronan för att garantera korrekt montering av monteringsstiften i benet. När den används tillsammans med en självskärande skruv spets, har det visat sig förebygga lossna till följd av skelettytan resorption vid ben skruvgränssnitt 29. Borrkronan (figur 9E) drivs av en miniatyr elektriska Accu Pen borr som producerar 2.500 rpm med en effekt på 500 mW (Figur 9L).

Experiment in vivo

Radiologisk undersökning bekräftade att fixeringsorgan av alla styvheter underhålls en 1 mm (ej visad) eller en 5 mm femoralisk defekt under hela 8 veckor av experimentet (Figur 11). Detta var särskilt viktigt för de 5mm kritiska storlek defekter, där spontan läkning inte uppstår. Ingen snedvridning eller infektioner, inklusive stift infektioner, observerades och stift lossnar var frånvarande om instruktionerna i programmet följdes 30. En komplikation med att använda extern fixeringsanordning sågs om vikten på råtta vid tidpunkten för kirurgi har överskridit 250 g, och en mindre storlek platta användes. I vissa av dessa fall belastningen på monteringsstiften ökat till en kritisk nivå, så att stiftpullouts var förekommer på den bortre sidan av lårbenet allt från en vecka till två veckor efter operationen (Figur 12). I tillägg till detta, om en större storlek djur användes är muskelvävnaden som omger lårbenet relativt tjocka, vilket skapar hudspännkraft i närheten av implantatet efter att huden stängs. På grund av svullnad spänningar, när huden stårtor att läka det skapar en kliande känsla för djuret att göra några av råttorna bita fixator. Eftersom fixator skapas från PEEK material, vilket egentligen är hög densitet plast, i sällsynta fall, var några råttor kända för att tugga igenom det. Återigen, för att undvika detta är det mycket viktigt att välja den rekommenderade kroppsvikt för djurstudier eller byta till den större versionen av extern fixeringsanordning.

Figur 1
Figur 1 Kirurgisk beredningen av rått lårbenet. (A) råtta placeras i liggande ställning. (B) visar riktningen av snittet på lårbenet. (C) visar snitt görs i huden för att exponera muskler. (D) visar snitt gjordes genom muskeln för att exponera femur. ( E) Visar en liten klämma placeras under benet för att passera Gigli tråd. (F) visar Gigli tråd gått under av ben.

Figur 2
Figur 2 (A) Såg guide. (B) Yttre fixa klippt på Saw guide. (C) Såg guide med extern fixa fast på lårbenet.

Figur 3
Figur 3 Tillämpning av extern fixeringsanordning. (A) visar korrekt tillämpning av första monteringsstiftet med plattan liggande antero-lateralt och parallellt med benet - grön hand, och felaktig tillämpning -. Röda sidan (B) visar införandet av den första monterings Stift i yttre bortre läge . (C) visar införingen av . återstående Monterings Pins som börjar med den mest proximala läget, följd av de två mittersta monteringsstiften (D) Visar insättning av monterings Pin - mer detaljerad beskrivning i protokollet avsnitt 4.4.

Figur 4
Figur 4 Kirurgisk implantation av extern fixeringsanordning på rått lårbenet. (A) Demonstrerar slutförandet av den kirurgiska proceduren med extern fixeringsanordning på plats med Gigli tråd. (B) visar skapat 5 mm segmentdefekt. (C) påvisar suturemuskellagret med exponerad extern fixeringsanordning stabilitet bar. (D) visar sys huden med exponerade extern fixeringsanordning stabilitet bar.

558fig5highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 5 (A) Initial position Gigli tråd för defekt skapande. (B) En bild som visar ömsesidig rörelse Gigli tråd.

Figur 6
Figur 6 Förändring av extern fixeringsanordning styvhet in vivo. (A) Yttre fixa implanteras i lårbenet. (B) Visar borttagande av den första sammankopplande skruven genom att försiktigt vrida den moturs tills stiftet är halvvägs ute. (C) Visar borttagning av det andra sammankopplande skruv genom att försiktigt vrida den moturs tills stiftet är halv väg ut. (D) visar borttagning av kopplingselementet på den motsatta sidan. (E) visar utbyte av önskad styvhet anslutningselement i stället för den avlägsnade en. (F) visar hur säkra det första ersatte anslutningselementet från den motsatta sidan genom att vrida på rutan skiftnyckel tills samverkande skruven är halvvägs ut ur den motsatta sidan. (G) visar hur säkra det andra ersätts anslutningselementet från den motsatta sidan genom att vrida på rutan skiftnyckel tills samverkande skruven är halvvägs ut ur den motsatta sidan. (H, I) visar att byta till den motsatta sidan av plattan för att se till att båda samverkande skruvar är halvvägs ut på den sida där anslutningen elementet ersattes. (J) visar avlägsnande av det andra kopplingselementet. (K) visar ersättning av den andra styvhetsförbindelseelementet i stället för den avlägsnade en. (L, M) visar drivningen av de båda i varandra ingripande skruvarna tills de låsande skruvslut utgångar den motsatta sidan av plattan. (N) visar avslutade förfarandet. Figur 7
Figur 7 Komponenter i de externa fixators Vänster:. Styvhet bestäms av anslutningselement i olika tjocklekar. Den fixeringsanordning är fäst till benet med titanlegering monteringsstiften. Höger: Monterade fixator på plats på rått lårben med 5 mm segmentdefekt.

Figur 8
Figur 8 Yttre fixa som en enhet.

Figur 9
Figur 9. Delar och instrument utformade för användning med extern fixeringsanordning. (A) Två anslutningselement.(B) Två huvudmoduler. (C) Två skruvar sammankopplade. (D) Fyra monteringsstift. (E) A 0,79 mm borr. (F) En 1,00 mm räknare sänke för förborrning av hålen. (G) 0,7 mm rutan skiftnyckel för tillämpningen av monteringsstift. (H) En 0,5 mm rutan skiftnyckel för tillämpningen av samverkande skruvar. (I) En 5 mm såg guide. (J) A 0,22 mm Gigli trådsåg för skapande av defekt. (K) Hand borr för fastsättning av borrkronor, 0,70 och 0,50 mm i fyrkant fast nyckel. (L) AccuPen 6V + (Miniatyr elektriskt pennborr) som används för att driva borrkronor.

Figur 10
Figur 10 Montering av extern fixeringsanordning. (A) 70% miffness anslutningselementet. (B) kopplingselementet och ett av de huvudmoduler. (C) visar hur en av huvudmoduler glider inuti av anslutningselementet. (D) visar hur de båda huvudmoduler glida insidan av kopplingselementet . (E) påvisar båda huvud moduler och båda anslutningselementen på plats (F) visar helt monterade stabilitets bar -. huvudmoduler och kopplingselement fast med skruvar sammankopplade.

Figur 11
Figur 11 In vivo-röntgenbilder av defekter i råttor omedelbart efter operationen och 8 veckor senare. Yttre fixators från alla tre styvheter implanterades kirurgiskt på rått lårbenen och 5 mm segmentdefekter skapat. Defekterna var röntgas omedelbart efter operation (t = 0) och vid weekly intervall tills åtta veckor (t = 8 veckor) när försöket avslutades. Reproducerad med tillstånd från eCM journal ( http://www.ecmjournal.org ). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 12
Figur 12 In vivo röntgenbild av defekten i råtta 9 dagar efter operation med de distala stiften dras ut (vid tiden för operationen kroppsvikt råtta var 340 g). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De mest kritiska stegen i ett kirurgiskt ingrepp för att skapa en stor bendefekt är: 1) val av lämplig kroppsvikt råttan att matcha storleken på den externa fixator; 2) att upprätthålla en steril miljö under förfarandet; och 3) efter det kirurgiska förfarandet protokoll.

De viktigaste målen för denna studie var att konstruera, tillverka och karakterisera ett nytt, variabel styvhet extern fixeringsanordning för råttan lårbens stor defekt modell, och att använda denna fixering vid bestämning av samspelet mellan biologiska och mekaniska faktorer under läkningsprocessen. De mekaniska egenskaperna för de nya fixeringar undersöktes på tre nivåer och karakterisering av fixators publiceras i ett annat manuskript 30. De fixators tillämpades också till rått lårbenen och deras in vivo-prestation övervakades radiografiskt efter 8 veckor med och utan behandling 30,31.

Det primära innovation av denna fixering är dess förmåga att utbyta de stabilitets bar anslutningselement för att välja olika standardiserade styv. Eftersom stabilitets barens anslutningselement kan bytas medan enheten är ansluten till djuret, kan styvheten kan justeras i olika skeden under läkningsprocessen. De anslutningselement byts en åt gången för att förhindra snedställning av de defekta kanter och destruktion av nybildad vävnad såsom beskrivs i protokollet. För närvarande fyra olika styvheter är tillgängliga, men ytterligare styv kan uppnås enbart genom att beställa olika anslutnings delar av olika tjocklekar genom producenten av implantatsystem.

Monteringsstiften och huvudram gjordes från TAN och PEEK, respektive, eftersom dessa material redan används för ortopediska implantat i människor och deras biokompatibilitet är väl etablerad. Dessa material tillåter även in vivo imaging itidigt skede av frakturläkning med minimal distorsion, och en minskad förekomst av infektioner. In vivo-experiment bekräftade att fixators tillät tydlig avbildning och underhålls en 5 mm segment gap i minst åtta veckor utan infektion eller stift lossnar.

Som en ytterligare konstruktionsegenskap, har fixeringsanordningen en förinställd förskjutning av 6 mm från benytan till stabiliteten bar oavsett vilken stelhet anslutningselement används. Denna egenskap gör implantation av fixator mycket reproducerbar. En annan stor fördel jämfört med alternativa utformningar som beskrivs i litteraturen 1,18,26,27, är att den nya yttre fixa var utformad för att ha minimal vikt (0,32 g) för att undvika okontrollerad belastning på grund av tröghet. Vidare efter implantationen och suturering av huden, är det fria utrymmet mellan implantatet tvärslå och huden endast ca 2 mm. Sådan närhet till hudytan minimerar momentkraft, vilket förhindrar möjligheten tillen ytterligare belastning inom annan än en tänkt från extern fixeringsanordning defekten. Dessutom, för att hålla det kirurgiska traumat låg, konventionella och roterande sågar inte betraktas som verktyg för att skapa stora eller små osteotomier. Sådana sågar antingen skär i intilliggande vävnad eller remsor benhinnan när vävnaderna dras tillbaka. I det förflutna har vi använt en 4,5 mm tand burr såg att skapa 5 mm defekter och fann att det var omöjligt att skapa exakta och reproducerbart stora brister med parallella ändar 22,26,27. För att undvika alla dessa problem tog vi en fördel av Gigli trådsågen på 0,22 mm. Sågen Guide var utvecklad för reproducerbart skapa exakta fel med parallella ändar.

Det finns några begränsningar när du använder denna teknik. En av de viktigaste frågorna när du använder denna externa fixering är möjligheten som nämns i resultatdelen, att råttorna skulle kunna tugga igenom den externa fixator plattan, som är gjord av PEEK. Men en special metallhölje har nyligen utvecklats av producenten av fixator att förhindra att detta händer. På samma sätt kan en elisabetanska krage användas för första veckorna efter operationen för att hindra djuret från att tugga. Ett ytterligare bekymmer är att, om en tom bendefekten används för studien, finns det en chans att monteringsstiften kan dras ut från benet flera veckor efter operationen. Dessutom är det viktigt att fixator implanteras i exakt orientering som beskrivs i protokollet. Om anvisningarna inte följs noga, finns det en stor risk att den mekaniska miljön som den specifika styvheten fixator inte blir som det var tänkt, och kommer att införa ett fel som ger felaktiga resultat.

De fixators som beskrivs i detta dokument göra det möjligt för utredarna att göra de experiment som krävs för att fastställa empiriskt effekterna av olika mekaniska miljöer och / eller mekaniska (styvhet) modulering på bett helande i stora defekter eller osteotomier 30,31. Dessutom kan den externa fixator tekniken användas i olika studier där olika läkemedel och biomaterial testas för att upptäcka nya behandlingar inte bara för komplicerade frakturer, utan även för behandling av vanliga frakturer för att påskynda läkningsprocessen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författaren Romano Matthys är anställd i RISystem AG Davos, Schweiz, som tillverkar implantat, implantat specifika instrument och förbrukningsvaror som används i denna artikel. Författaren Vaida Glatt har inga konkurrerande ekonomiska intressen.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av AO stiftelsen (S-08-42G) och RISystem AG.

Vi vill rikta ett mycket stort "tack!" till Stephan Zeiter team vid AO Forskningsinstitut Davos, Schweiz för att vara så tillmötesgående i vilket tillåter oss att använda sina ELLER anläggningar för inspelningen av detta kirurgiska ingrepp.

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