Rigidità regolabile, fissatore esterno per le Rat Femore osteotomia e segmentale Bone Difetto Models

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

L'ambiente meccanico intorno alla guarigione delle ossa rotte è molto importante in quanto determina il modo in cui la frattura guarirà. Negli ultimi dieci anni c'è stato un grande interesse clinico nel migliorare la guarigione ossea alterando l'ambiente meccanico attraverso la stabilità di fissazione intorno alla lesione. Un vincolo di ricerca sugli animali preclinica in questo settore è la mancanza di controllo sperimentale sull'ambiente meccanico locale all'interno di un grande difetto segmentale e osteotomie come guarire. In questo articolo riportiamo la progettazione e l'uso di un fissatore esterno per studiare la guarigione di grandi difetti ossei segmentale o osteotomie. Questo dispositivo permette non solo per rigidezza assiale controllato sulla lesione ossea come si guarisce, ma consente anche la variazione di rigidezza durante il processo di guarigione in vivo. Gli esperimenti condotti hanno dimostrato che i fissatori sono stati in grado di mantenere una distanza difetto femorale 5 millimetri nei ratti in vivo durante la gabbia senza restrizioniattività per almeno 8 settimane. Allo stesso modo, abbiamo osservato nessuna distorsione o infezioni, incluse le infezioni PIN durante l'intero periodo di guarigione. Questi risultati dimostrano che il nostro fissatore esterno di nuova concezione è stato in grado di stabilizzare riproducibile e standardizzata, e l'alterazione dell'ambiente meccanica di ratto in vivo di difetti ossei di grandi dimensioni e vari osteotomie dimensioni. Ciò conferma che il fissatore esterno è adatto per le indagini di ricerca preclinici usando un modello di ratto nel campo della rigenerazione e la riparazione ossea.

Introduction

Un certo numero di studi hanno migliorato la nostra comprensione dei meccanismi biologici coinvolti nella riparazione del tessuto osseo 1-6. Gli effetti di condizioni meccaniche sulla riparazione ossea, come assiale, taglio e movimenti interframmentarie (IFM) sono stati studiati approfonditamente 7-15. Negli ultimi anni, sempre più studi hanno cominciato ad emergere che descrive l'influenza dell'ambiente meccanica sulla guarigione ossea con fratture, osteotomia e grande difetto osseo segmentale in modelli in vivo. Pertanto, sono necessari metodi di fissazione affidabili per ottenere i risultati degli studi riproducibili e affidabili.

L'ambiente meccanico intorno alla guarigione della frattura è molto importante in quanto determina il modo in cui la frattura guarirà. Pertanto, la scelta del dispositivo di fissaggio è molto importante e devono essere accuratamente scelte a seconda del disegno dello studio, e di altri fattori quali la dimensione gap e il tipo di frattura. Proprietà meccaniche del dispositivo di fissaggio di unre ancora più importante quando si studia la guarigione ossea di grandi difetti ossei stabilire una fissazione che non solo fornisce una taglia gap costante per tutto il periodo dell'esperimento di pieno carico, ma anche un ambiente meccanico ideale per la guarigione ossea. Fissatori esterni sono comunemente utilizzati in frattura e difetto osseo di guarigione modelli sperimentali grandi perché hanno un vantaggio rispetto agli altri dispositivi di fissaggio. Il vantaggio principale di fissatori esterni sono che consentono la variazione dell'ambiente meccanica al sito del difetto in vivo senza un intervento secondario, che può essere ottenuto modificando o regolando la barra stabilità del dispositivo durante il corso dell'esperimento come guarigione ossea progredisce. Inoltre, esso consente l'applicazione di stimolazione meccanica locale specifica per migliorare la riparazione di ossa, e fornisce anche la possibilità di misurare la rigidità del tessuto callo in vivo. Tuttavia, i dispositivi hanno anche alcuni svantaggiche comprendono: irritazione dei tessuti molli, infezioni e pin rottura.

Purtroppo, tali impianti non erano disponibili "off the shelf" al momento dello sviluppo dell'impianto, e gli investigatori sono stati costretti a personalizzato progettare i propri fissatori per un determinato uso. Pertanto, un vincolo di ricerca in questo settore è stata la mancanza di controllo sperimentale sull'ambiente meccanico locale all'interno di un grande difetto segmentale e osteotomie come si guarisce. Le caratteristiche meccaniche di un fissatore esterno sono definite da, e possono essere modulate, un gran numero di variabili che include: la distanza tra i perni, diametro del perno, materiale perno, il numero di pin, fissatore lunghezza della barra, numero misura fissatore, materiale fissatore bar, spessore barra fissatore e la distanza dalla superficie dell'osso alla barra fissatore (offset). Sorprendentemente, solo una scarsità di studi potrebbe essere trovato che hanno indagato i contributi meccaniche dei singoli componentidi fissatori o configurazioni interi fotogrammi utilizzati in studi su roditori 16,18,28. Per esempio, i risultati di uno studio hanno mostrato che uno dei principali fattori che contribuiscono a determinare la rigidezza complessiva del costrutto fissaggio è stato dominato dalla flessibilità dei perni in relazione alle loro offset, diametro e proprietà dei materiali 28. I risultati degli studi sopra menzionati indicano chiaramente che conoscere l'ambiente meccanica fornita dal dispositivo di fissaggio è estremamente importante, ma, in molti casi non è indagato in dettaglio. Il presente articolo riporta la progettazione, le specifiche, e in vivo l'impianto di un fissatore esterno che risolve questo problema. Questo fissatore consente anche la modulazione dell'ambiente meccanica come la guarigione progredisce, una proprietà che consente lo studio della meccano-sensibilità delle diverse fasi del processo di guarigione in vivo. Inoltre, così come impone un meccanico locale controllato e riproducibileAl ambiente, la sua accessibilità permette anche la modulazione di questo ambiente a diversi stadi di guarigione ossea.

Il fissatore abbiamo progettato era basata su fissazione esterna, che è ampiamente usato per la frattura fissazione 16-21 e modelli di grandi dimensioni difetto negli animali da esperimento 22-27. La differenza tra il fissatore esterno e gli altri disegni esistenti riportati in letteratura è che la loro barra stabilità è fissato con viti di avere una presa stretta con fili di Kirschner (K-fili). Questo tipo di progetto richiede viti per essere controllati ogni due settimane (a volte anche settimanale) per fare in modo che la distanza di offset viene mantenuto come il carico viene applicato attraverso cuscinetto di peso per evitare l'allentamento della barra di stabilità. Se si verifica tale allentamento, permette una indesiderate condizioni di carico aggiuntive come angolare, trasversale e movimenti torsionali taglio alla guarigione ossea (sulla base di esperienze personali, la comunicazione con researchers). Sapendo questo, un fissatore esterno è stato progettato come tale che, quando la rigidità del fissatore deve essere cambiato, sarebbe essere raggiunto rimuovendo elementi di collegamento allegati al modulo principale in cui sono inserite i perni di montaggio. L'esperimento pilota in vivo è stata effettuata con il nuovo prototipo fissatore esterno per assicurarsi che soddisfi tutte le esigenze proposte prima di essere prodotto in grandi quantità.

L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di presentare un nuovo metodo chirurgico per un fissatore esterno utilizzato per i grandi difetti ossei e osteotomie nel ratto con la possibilità di cambiare la rigidità in vivo durante il processo di guarigione. Questo metodo di fissaggio viene applicato in vivo sul femori di topi.

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Protocol

La cura degli animali e protocolli sperimentali sono stati seguiti in conformità alle linee guida NIH e approvati dal Centro Medico Istituzionale Animal Care and Use Committee Beth Israel Deaconess, Boston, MA. (Numero di protocollo: 098-2009)

1 Preparazione di materiali chirurgici e strumenti

  1. Sterilizzare tutti i materiali chirurgici e strumenti utilizzati per eseguire un intervento chirurgico prima dell'uso. Confezione materiali necessari, con o senza vassoio strumento, all'interno di un panno piegato o carta nella confezione e sigillare con nastro autoclave per la sterilizzazione a vapore. La temperatura dell'autoclave deve essere di 125-135 ° C per 20-25 min di tempo di sterilizzazione, e poi 10-15 minuti di tempo di asciugatura.
  2. Assicurarsi che al momento dell'intervento chirurgico i ratti sono 200-250 g. Questo è molto importante perché se i ratti sono più pesanti di dimensioni, poi un fissatore dimensioni diverse deve essere usato. Per ratti deve essere usato più pesante di 250 ga ingrandita del sistema fissatore esterno.
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    2 Procedura chirurgica e Applicazione del fissatore esterno

    1. Acquisto Sprague-Dawley (o qualsiasi altro ceppo) ratti (maschio o femmina, 200-250 g) da qualsiasi fornitore di animali certificati. Seguire la cura degli animali appropriata e protocolli sperimentali in conformità con le linee guida nazionali, che è approvato dalla Institutional Animal Care and Use Committee dello sperimentatore. Lasciare un minimo di 48 ore periodo di acclimatazione prima della procedura.
    2. Per la chirurgia, trasportare il ratto di una sala dedicata procedura chirurgica.
    3. Anestetizzare ratto con isoflurano prima via camera di induzione, e poi continuare con maschera collegata a una macchina per anestesia a un tasso del 1,5-2% a 1-1,5 L di O 2 / min. All'inizio della chirurgia assicurarsi che l'animale è sotto anestesia profonda. Per fare questo, utilizzare il pedale tecnica reflex da estendere l'arto e pizzicare il web tra le dita dei piedi con le dita (non la punta stessa!). L'animale non è sufficiently anestetizzato se l'arto è ritirata, contrazione muscolare si verifica o se l'animale fa rumore.
    4. Dopo il ratto è in anestesia generale profonda per la chirurgia, iniettare l'antibiotico (cefazolina, 20 mg / kg) e la buprenorfina analgesico (dose di 0,08 mg / kg) per via intramuscolare nella gamba destra. Per evitare grandi quantità di perdita di fluido durante l'intervento chirurgico somministrare per via sottocutanea calda salina sterile al 3-5% del peso corporeo prima dell'intervento, e se è necessario, al fine. Applicare sterile unguento occhio agli occhi per tenerli idratati per evitare lesioni della cornea.
    5. Dopo le iniezioni di droga, barba e pulire l'intera zampa posteriore destra del ratto con chlorohezadine o altra soluzione disinfezione e trasferire l'animale al tavolo operatorio. (La gamba operata deve essere uguale a quello che è stato iniettato.)
    6. Posizionare l'animale su una superficie riscaldata in posizione prona (Figura 1A). Assicurarsi che la maschera facciale rimane sul naso e la bocca di poppaer il trasferimento al tavolo operatorio, e mantenere il regime di anestesia di cui al punto 2.3). Telo l'area della procedura chirurgica con un telo fenestrato sterile in modo che solo la gamba destinata all'intervento è esposto.
    7. Fare un'incisione approssimativo di 3-4 cm (Figura 1B) attraverso la pelle craniolateral esecuzione sulla superficie del femore destro dalla grande trocantere alla regione sovracondiloidea del ginocchio con un bisturi (Figura 1C). Esporre l'albero del femore delicatamente dissezione separando la fascia lata, e fare in modo che il tessuto muscolare non è tagliato. Dopo di che, a parte separare vasto laterale M. e M. bicipite femorale e sollevare il M. tensore della fascia lata per esporre tutta la lunghezza del femore (facendo in modo che il nervo sciatico è conservato; Figura 1D).
    8. Nella zona prevista di osteotomia, preparare il femore lungo la zona intermedia della diafisi rilasciando il tessuto muscolare surrounding della femur. In primo luogo, iniziare mettendo l'ascensore Henahan perpendicolare alla superficie esposta del femore, e quindi utilizzando un bisturi, rilasciare il muscolo nella zona adiacente.
      1. Continua avanzando in avanti e andare in giro per il femore, rimanendo vicino alla superficie dell'osso, fino a tutto il tessuto muscolare circostante viene rilasciato da tutta la sezione centrale delle ossa (in cui verrà creato il difetto), e il tessuto muscolare è completamente pulita dall'osso. Nel fare questo, è molto importante stare vicino alla superficie ossea per evitare di tagliare eventuali vasi principali.
    9. Per un difetto di osso di grandi dimensioni 5 mm, anello 2 pezzi di filo sega Gigli (0,22 mm) attorno all'osso con orientamento medio-laterale (Figura 1E, F). Dopo annodare il filo sega, la posizione di un pezzo sul lato distale del femore, vicino alla giunzione del ginocchio, ed un secondo pezzo sul lato prossimale vicino al dell'anca. Fissare il filo sega Gigli pezzi su ogni lato con S-forma dissezione curva e Ligatpinze ure, in modo che rimanga nel luogo previsto. Se è prevista una sola osteotomia taglio, quindi utilizzare solo un pezzo di filo sega.
    10. Utilizzare la piastra fissatore esterno come modello per determinare la posizione esatta dell'impianto. La posizione del fissatore esterno deve essere il più vicino possibile al centro del femore.
      1. Posizionare la piastra fissatore esterno sulla superficie anterolaterale dell'osso. Ciò si ottiene facendo ruotare esternamente il femore. In questa posizione lo strato di tessuto molle è al suo più sottile, che impedisce un'eccessiva tensione dei tessuti molli sotto la piastra fissatore dopo la ferita è chiusa.
      2. Poi sollevare leggermente la piastra fissatore esterno dalla superficie ossea per assicurarsi che i fori della piastra sono centrati sulla superficie dell'osso. Tenere il fissatore esterno con un morsetto che rimanga parallelo all'asse longitudinale dell'osso, e quindi utilizzare un utensile elettrico o un trapano a mano preforatura primo foro sul lato prossimale del femore con l'0,79mm punta. Prima di avanzare in avanti, assicurarsi che la punta del trapano è ancora incentrato sulla superficie ossea.
      3. Se la punta del trapano si allenta, utilizzare il contatore platina 1,00 millimetri (Figura 8F) per centrare la posizione del primo foro. Il contatore zavorra deve essere utilizzato per posizionare tutti i restanti perni di montaggio. Ciò garantirà un perfetto allineamento dei fori e la piastra fissatore rispetto alla superficie dell'osso.

    3. fissatore esterno Metodo impianto Uso della Guida Saw

    1. Assicurarsi che la piastra del fissatore esterno non è montato a testa in giù prima di ritaglio sulla guida della sega. Determinare questo confrontando la dimensione dei fori sulla piastra. Il lato corretto è con il diametro del foro più grande rivolta verso l'alto. Se la differenza tra le dimensioni dei fori all'interno del fissatore non è evidente, utilizzare il contatore delle platine.
      1. Inserire la punta del contatore platina in uno dei fori sullala piastra fissatore, se il contatore zavorra adatta facilmente nel foro allora questo è il rialzo del fissatore, tuttavia, se la punta del contatore platina non va bene allora questo è un lato inferiore del fissatore, e deve essere capovolto per il fissaggio di conseguenza.
        (Importante:.. Assicurarsi di forare perpendicolare all'asse longitudinale dell'osso in modo da assicurare un perfetto orientamento del fissatore alla superficie dell'osso La direzione del primo foro determina l'orientamento finale del fissatore sull'osso Ricordare l' perni di montaggio sono della stessa lunghezza, e se il fissatore non è parallelo all'asse longitudinale dell'osso la distanza tra il fissatore e l'osso varieranno troppo e potrebbero impedire la capacità di tutti i quattro perni di montaggio per penetrare entrambe le corticali.)
      2. Dopo l'orientamento è confermato, agganciare la piastra sulla guida della sega (Figura 2A, B) e quindi fissare l'unità con l'osso in modo che il primo foro preforatoè allineato con il primo foro sulla piastra (Figura 2C). Utilizzare la chiave scatola quadrata 0,70 millimetri inserito nel trapano a mano per guidare il primo perno di fissaggio nel foro. In questo modo si consentirà il posizionamento riproducibile per i restanti perni di montaggio.
      3. Dopo il primo perno di montaggio è a posto, quindi praticare il foro più lontano dal primo perno di montaggio sul lato distale, e guidare il secondo perno di fissaggio nel foro. L'ordine impianto dei due perni di montaggio centrali non è importante.

    4. fissatore esterno Metodo impianto Senza la Guida Saw:

    L'applicazione del fissatore esterno può essere eseguita anche senza usare la guida di sega. Le fasi iniziali del impianto fissatore esterno sono gli stessi fino l'unità con la guida sega viene troncato con l'osso (passo 3.1). Se la guida di sega non viene utilizzato, è molto importante per mantenere la piastra fissatore nell'orientamento corretto durantel'intera procedura di applicazione. Il femore deve essere ruotata esternamente nella direzione antero-laterale.

    1. Tenere la piastra fissatore esterno con un morsetto o S-dissezione forma ricurva e pinze legatura in modo da essere parallela all'asse longitudinale dell'osso (Figura 3A). L'applicazione del primo perno di montaggio determinerà l'allineamento del fissatore, quindi, la rotazione dell'osso deve essere mantenuto fino a quando il primo perno è inserito (Figura 3B). Dopo il primo perno è a posto, utilizzare attentamente le pinze per tenere la piastra fissatore che agisce come una guida trapano.
    2. Inserire la punta nel secondo foro - questo è il foro più distale al divario osteotomia programmata (Figura 3C). Prima di forare, accertarsi che il secondo foro ha lo stesso orientamento della prima buca; anche fare in modo che dopo la foratura è completa, entrambe le corticali sono penetrati.
    3. Inserire il 0,70 millimetri bo piazzax chiave per il trapano a mano e quindi inserire il perno di montaggio nella punta. Inserire con cautela nella piastra del fissatore esterno senza perdere l'allineamento del primo foro preforato.
    4. Non appena la punta è in contatto con l'osso, iniziare ruotando la chiave in continuo carico assiale applicata all'estremità prossimale del trapano a mano. Dopo circa 5 giri completi, assicurarsi che il filo alla fine prossimale del perno di montaggio cattura il corpo della piastra di fissatore esterno. Questo thread blocca il sistema. Fermare la rotazione quando l'estremità del filo osso è vicino alla superficie superiore dell'osso (Figura 3D).
    5. Dopo i perni sul lato più distale e prossimale sono a posto, preforare i restanti due fori centrali. L'ordine impianto dei due pin centrali non è importante (Figure 3C).
    6. Dopo il fissatore esterno è a posto, utilizzare il filo Gigli 0,22 millimetri sega diretto dalla guida sega per rendere il difetto segmentale (Figure 4A). Se si sceglie il secondo metodo, la guida sega è ritagliato prima di effettuare un difetto.
      1. Per questo, passare un filo Gigli 0,22 millimetri vide attraverso le due scanalature sotto il femore (Figura 5A) per creare un difetto segmentale 5 millimetri dal movimento alternato avanti e indietro (Figura 5B) usando irrigazione sufficiente (uso siringa da 5 ml di soluzione salina a dispensare il tempo della creazione difetto). Per evitare danni ai tessuti molli, tagliare il filo vicino sega all'osso da un lato dopo aver completato l'osteotomia. Rimuovere la guida della sega (Figura 4B).
    7. Dopo aver creato il difetto o osteotomia, rimuovere la guida della sega e chiudere la ferita a strati, il muscolo prima (Figura 4C), e poi la pelle (Figura 4D). Prima che la ferita è chiusa, trattare il difetto, come previsto nel protocollo di studio. Chiudere lo strato muscolare e fascia lata utilizzando Ethibond Vicryl sutura 4-0, e la pelle con Ethicon monocryl 3-0 suture. Evitare di trascinare materiale di sutura su superfici non sterili, mentre suturare le ferite. Nota: Per evitare la ferita mordere, la sutura non deve finire distale all'impianto inferiore. Allo stesso modo, colla di pelle può essere usato al posto di una sutura.
    8. Nei primi tre giorni postoperatori, dare l'analgesico ratto ogni 12 ore ed un antibiotico ogni 24 ore. Naturalmente, il regime post-operatorio di farmaci varia a seconda della marca e del marchio dei farmaci utilizzati da ciascun ricercatore (fare riferimento alle istruzioni specifiche di droga).
    9. Monitorare gli animali spesso dopo la procedura per assicurarsi che essi recuperare da anestesia e solo poi tornare alla struttura alloggiativa. Fornire alloggi solitaria per i primi giorni dopo l'intervento chirurgico per assicurarsi che non ci siano complicazioni.
    10. Monitorare l'acqua, l'assunzione di cibo e il peso corporeo dopo l'intervento chirurgico per assicurarsi che l'animale non è nel dolore e angoscia. Se l'animale mostra un livello di attività ridotta, difficoltà a muoversi (possibile guasto dell'impianto), ataxiuna, pelliccia grassa trasandato, porfirina macchie intorno agli occhi e le narici, postura ingobbita, difficoltà respiratoria, ridotta assunzione di cibo e acqua, ecc consultare un veterinario.

    5 Cambio di fissatore esterno Rigidità In vivo

    1. Se il protocollo di studio richiede il cambio di fissatore rigidità durante il processo di guarigione in vivo questo si ottiene modificando gli elementi di connessione protetta con le speciali viti autobloccanti con 0,5 millimetri di dialogo Chiave quadrata attaccato al trapano a mano. Per questa procedura, anestetizzare il ratto (vedere la 2.3 nel protocollo) e dare analgesia (fare riferimento alla 2.4 nel protocollo) una sola volta al momento della procedura (Figura 6A).
      1. Sedare il ratto, e poi inserire la punta della chiave scatola quadrata 0,50 millimetri nella vite di collegamento posta sul lato del fissatore assemblato, e iniziare con cautela ruotando in senso antiorario fino a quando il perno è a metà strada (figura 6B (figura 6C).
      2. Quando entrambi i perni sullo stesso lato sono a metà strada fuori, utilizzare una pinza o una pinza per rimuovere l'elemento di collegamento sul lato opposto con un movimento dolce (Figura 6D). L'elemento di connessione deve staccarsi facilmente, se non esiste, quindi eseguire un ulteriore paio di giri su entrambe le viti ad incastro per assicurarsi che la punta della vite di blocco non è inserita nell'elemento di collegamento.
      3. Dopo l'elemento di collegamento viene rimosso, far scorrere l'elemento di collegamento rigidità desiderata al posto di quello rimosso (Figura 6E), e dal lato opposto utilizzando la chiave a tubo quadrato inizia a girare fino alla vite di collegamento è a metà strada sul lato opposto (Figura 6F). Ripetere la stessa procedura per la seconda vite ad incastro (Figura 6G). Importante: thsi richiederanno il passaggio verso il lato opposto della piastra per assicurarsi che entrambe le viti autobloccanti sono a metà strada sul lato dove l'elemento di collegamento è stato sostituito (Figura 6H, I).
      4. Dopo questa parte è completata con successo, rimuovere il secondo elemento di connessione (Figura 6J) e sostituirlo con lo stesso elemento di connessione rigidità come quella sostituita dalla parte opposta (Figura 6K). Dopo il secondo elemento di connessione è a posto, cominciare a guidare la vite incastro fino alla fine vite incastro esce dal lato opposto della piastra, e la punta della vite incastro è uscito lo stesso importo su ciascun lato (Figura 6L). Ripetere la stessa procedura per la seconda vite ad incastro (Figura 6 M, N). Questa procedura richiede circa 15 minuti per completare.

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Representative Results

Caratteristiche del design

Stabilizzazione del femore ratto con il fissatore esterno consente la creazione di osteotomie da 0,5 a 5 mm. Il sistema di fissatore esterno è un fissatore esterno bloccato in polietere etere chetone (PEEK - [il corpo principale]) e lega di titanio-alluminio-niobio (TAN - [i perni di montaggio]), che offre un design semplice, riproducibile e registrabile, ed è disponibile in quattro differenti rigidezze: 10, 40, 70 e 100% (100% essendo la norma, fissatore più rigido (Figura 7) In base alle esigenze di studio di ogni ricercatore, se dovranno fare la regolazione rigidità dell'impianto in vivo. la guarigione ossea progredisce, la piastra fissatore esterno viene come un pezzo solido (Figura 8) o con due elementi di connessione (Figura 9A) e due moduli principali (Figura 9B) fissato con due viti autobloccanti (Fifigura 9C) che devono essere assemblati prima dell'intervento chirurgico (Figura 10A-F). Gli elementi di collegamento sono di diverso spessore, e quindi la rigidità, e sono stati sviluppati per ottenere una fissazione rigidezza pari al 10% (spessore 0,75 millimetri), 40% (spessore 1,70 millimetri), 70% (spessore 2,10 millimetri) e 100% (2,50 millimetri spessore; la figura 7). Il fissatore esterno rigidità del 100% è stata calcolata sulla 200 g approssimativa peso corporeo di un topo maturo, e poi moltiplicato per un fattore di 4, ad una massa pari a 800 g. Questo è stato fatto per assicurarsi che dopo aver creato un difetto 5 mm, il fissatore è in grado di sopportare il cuscinetto peso dell'animale, mantenendo quindi l'allineamento e prevenire la dislocazione dei frammenti di errori. I restanti tre rigidezze del fissatore sono diminuiti del 30%, rispettivamente, dal più alto (100%) per avere una varietà di rigidità per studi con vari scopi.

Ogni modulo principale ha due fori in cui i perni di montaggio sono inseari. La rigidità fissatore può essere modificato mentre è ancora attaccato al animale vivente modificando gli elementi di collegamento fissati con viti autobloccanti speciali (Figura 9C) con 0,5 millimetri di dialogo Chiave quadrata (figura 9H) attaccato al trapano a mano (Figura 9K). TAN (lega di titanio) è stato usato per fare i pin (Figura 9D) per fissare la barra stabilità al femore (Figura 7) di montaggio. Il fissatore è disponibile in quattro pezzi e deve essere assemblato prima dell'uso se un cambiamento rigidezza è destinato per lo studio (Figura 10A-F), se non, deve essere utilizzato un unico solido fissatore Pieced. La distanza tra le viti esterne è di 16 mm e la distanza tra le viti centrali è di 11 mm. Tutti i fori sono preforati con una punta 0,79 millimetri (Figura 9E). Le viti sono bloccate in fori nel telaio fissatore principale, che è parallelo alla superficie dell'osso corrispondente e fissati ad una distanza di 6 mm from dell'osso (Figura 7).

Una guida sega è stato sviluppato per consentire la creazione di un accurato riproducibile, 5 millimetri difetto segmentale nel femore (Figura 9I); serve anche come guida di posizionamento per l'installazione del fissatore esterno. Il telaio principale del fissatore esterno viene troncato al guida sega, e quindi l'intero sistema è agganciata l'osso, come mostrato nella Figura 2B, C. Il divario di 5 millimetri viene generato con un 0,22 millimetri filo sega Gigli (Figura 9J). Sia la guida della sega e la sega a filo Gigli possono essere sterilizzati in autoclave a 134 ° C. Se una osteotomia di dimensioni diverse è destinato per lo studio, un costume disegnato vide guida è disponibile. A causa delle dimensioni miniatura del fissatore esterno, uno speciale set di strumenti di impianto è stato progettato e acquisita; una misura 0,79 millimetri punta (Figura 9E), 1,00 millimetri contatore platina per la preforatura dei fori (figura 9F), 0,7 millimetri square casella Chiave per l'applicazione dei perni di montaggio allegate al trapano a mano (Figura 9 G), 0,5 millimetri di dialogo Chiave quadrata per l'applicazione delle viti autobloccanti (figura 9H), trapano a mano (Figura 9K). È stato sviluppato anche un trapano Accu Pen (Figura 9L). Il diametro del nucleo di ogni pin di montaggio è 0,02 millimetri più grande della punta di garantire il corretto montaggio dei perni di montaggio nell'osso. Quando viene utilizzato insieme con una punta a vite auto-taglio, questo è stato dimostrato di prevenire l'allentamento a causa di riassorbimento superficie ossea all'interfaccia osso-vite 29. La punta del trapano (Figura 9E) è gestito da un trapano elettrico in miniatura Accu Pen che produce 2.500 giri con una potenza di 500 mW (Figura 9L).

In esperimenti in vivo

Esame radiologico confermato che fissatori di tutte le rigidezze mantenute a 1 mm (non mostrato) o ± 5 mm fedifetto morale durante l'intero 8 settimane di esperimento (Figura 11). Questo è stato particolarmente importante per i 5 millimetri difetti dimensione critica, in cui la guarigione spontanea non si verifica. Nessuna distorsione o infezioni, incluse le infezioni pin, sono state osservate e pin allentamento era assente se le istruzioni dell'applicazione sono stati seguiti 30. Una complicazione di usare il fissatore esterno era visto se il peso del ratto al momento dell'intervento ha superato 250 g, e una piastra di dimensioni più piccole è stato usato. In alcuni di questi casi, il carico sui perni di montaggio aumentato a un livello critico in modo che i carrelli pin si verificavano sul lato distale del femore ovunque da una settimana a due settimane dopo l'intervento chirurgico (Figura 12). In aggiunta a ciò, se si utilizza un animale più grande dimensioni, il tessuto muscolare che circonda il femore è relativamente spessa, che crea tensione della pelle in prossimità dell'impianto dopo la pelle si chiude. A causa della tensione gonfiore, quando la pelle scrostate di guarire crea una sensazione di prurito all'animale facendo alcuni dei ratti morso il fissatore. Dal momento che il fissatore è creata in materiale PEEK, che è fondamentalmente plastica ad alta densità, in rare occasioni, alcuni ratti sono stati noti per masticare attraverso di essa. Ancora, al fine di evitare questo, è molto importante selezionare il peso corporeo consigliato per studi su animali o passare alla versione più grande di fissatore esterno.

Figura 1
Figura 1 Preparazione chirurgica del femore di ratto. (A) Rat posizionata in posizione prona. (B) mostra la direzione dell'incisione sul femore. (C) Mostra incisione fatta nella pelle per esporre il muscolo. (D) mostra incisione fatta attraverso il muscolo per esporre femore. ( E) mostra un piccolo morsetto posizionato sotto l'osso di passare Gigli filo. (F) Mostra Gigli filo passato sotto dell'osso.

Figura 2
Figura guida 2 (A) Saw. (B) fissatore esterno ritagliato sulla guida della sega. (C) guida Saw con il fissatore esterno agganciato femore.

Figura 3
Figura 3 Applicazione di fissatore esterno. (A) mostra la corretta applicazione del primo perno di montaggio con la piastra inclinabile antero-lateralmente e parallelamente all'osso - mano verde, e l'applicazione scorretta -. Mano rosso (B) mostra inserimento del primo perno di montaggio in posizione distale esterno . (C) Indica l'inserimento della rimanente. perni di montaggio che iniziano con la posizione più prossimale, seguito dai due perni di montaggio centrali (D) Indica l'inserimento di Pin di montaggio - descrizione più dettagliata nella sezione del protocollo 4.4.

Figura 4
Figura 4 impianto chirurgico del fissatore esterno sul femore di ratto. (A) dimostra completamento della procedura chirurgica con fissatore esterno in luogo con il filo Gigli. (B) dimostra creato cinque millimetri difetto segmentale. (C) Dimostra strato muscolare suturata con esposto bar stabilità fissatore esterno. (D) dimostra suturata pelle con esposto bar stabilità fissatore esterno.

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Figura 5 (A) Posizione iniziale dei Gigli filo per la creazione di difetti. (B) Un'immagine che mostra il movimento reciproco di filo Gigli.

Figura 6
Figura 6 Cambio di fissatore esterno rigidità in vivo. (A) fissatore esterno impiantato sul femore. (B) Indica rimozione della prima vite ad incastro ruotando con cautela in senso antiorario fino a quando il perno è a metà strada fuori. (C) mostra la rimozione della seconda vite incastro ruotando con cautela in senso antiorario fino a quando il perno è a metà strada fuori. (D) dimostra la rimozione dell'elemento di collegamento sul lato opposto. (E) dimostra sostituzione di elemento di connessione rigidità desiderata al posto di quello rimosso. (F) Illustra come per fissare il primo elemento di connessione sostituito dal lato opposto, ruotando la chiave a tubo piazza fino a quando la vite di collegamento è a metà strada dal lato opposto. (G) Illustra come per fissare il secondo elemento di connessione sostituito dal lato opposto ruotando la chiave a tubo quadrato finché la vite di collegamento è a metà strada dal lato opposto. (H, I) dimostra commutazione sul lato opposto della piastra per assicurarsi che entrambe le viti autobloccanti sono a metà strada sul lato dove la connessione elemento è stato sostituito. (J) dimostra l'eliminazione del secondo elemento di connessione. (K) dimostra sostituzione del secondo elemento di connessione rigidità al posto di quello rimosso. (L, M) dimostra conduzione di due viti incastro finché i incastro uscite finali vite il lato opposto della piastra. (N) dimostra procedura completata. Figura 7
Figura 7 Componenti dei fissatori esterni Sinistra:. Rigidità è determinato da elementi di collegamento di diversi spessori. Il fissatore è attaccato all'osso con perni di montaggio in lega di titanio. Destra: Assemblato fissatore in posizione sul ratto femore con 5 millimetri difetto segmentale.

Figura 8
Figura 8 fissatore esterno come un'unità.

Figura 9
Figura 9. Parti e strumenti progettati per l'uso con il fissatore esterno. (A) due elementi di collegamento.(B) due moduli principali. (C) Due viti autobloccanti. (D) Quattro perni di montaggio. (E) Una punta da trapano 0,79 millimetri. (F) Un contatore zavorra 1,00 millimetri per la preforatura dei fori. (G) A 0,7 mm Chiave scatola quadrata per l'applicazione di perni di fissaggio. (H) A 0,5 mm Chiave scatola quadrata per l'applicazione di incastro viti. (I) ± 5 mm vide guida. (J) A 0,22 millimetri filo sega Gigli per la creazione di difetti. (K) trapano a mano per il fissaggio delle punte, 0,70 e 0,50 mm Chiave scatola quadrata. (L) AccuPen 6V + (Miniature penna trapano elettrico) usato per guidare le punte.

Figura 10
Figura 10 Montaggio del fissatore esterno. (A) 70% stelemento di connessione iffness. (B) L'elemento di collegamento e uno dei principali moduli. (C) illustra come uno dei principali moduli scorre all'interno dell'elemento di collegamento. (D) illustra come sia dei principali moduli scorrere all'interno dell'elemento di collegamento . (E) dimostra sia i principali moduli ed entrambi gli elementi di collegamento a posto (F) dimostra bar stabilità completamente montato -. moduli principali ed elementi di collegamento fissati con viti autobloccanti.

Figura 11
Figura 11 in vivo immagini a raggi X di difetti nei ratti immediatamente post-operatorio e 8 settimane dopo. Fissatori esterni di tutte e 3 le rigidezze sono stati chirurgicamente impiantati sui femori di ratto e 5 mm difetti segmentali creati. I difetti sono passato ai raggi X immediatamente dopo l'intervento chirurgico (t = 0) e al weeklintervalli y fino a 8 settimane (t = 8 settimane) quando l'esperimento è stato interrotto. Riprodotto per gentile concessione da ECM ufficiale ( http://www.ecmjournal.org ). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 12
Figura 12 vivo Immagine a raggi x del difetto nel ratto 9 giorni post-intervento chirurgico con i perni distali tirato fuori (al momento della chirurgia del peso corporeo del topo era 340 g). Cliccate qui per vedere una più grande versione di questa figura.

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Discussion

Le fasi più critiche di una procedura chirurgica per creare un grande difetto osseo sono: 1) la scelta del corretto peso corporeo del topo in base al formato del fissatore esterno; 2) il mantenimento di un ambiente sterile durante il procedimento; e 3) seguendo il protocollo procedura chirurgica.

I principali obiettivi di questo studio erano di progettare, produrre e caratterizzare un nuovo, rigidezza variabile fissatore esterno per il ratto femorale modello grande difetto, e di utilizzare questo fissatore nel determinare l'interazione tra fattori biologici e meccanici durante il processo di guarigione. Le proprietà meccaniche dei nuovi fissatori sono stati esaminati su tre livelli e la caratterizzazione dei fissatori è pubblicato in un manoscritto diverso 30. I fissatori sono stati applicati anche ai femori di ratto e le loro prestazioni in vivo monitorati radiograficamente per 8 settimane con e senza il trattamento 30,31.

La i primarionnovazione di questo fissatore è la sua capacità di scambiare gli elementi di collegamento barra di stabilità per selezionare differenti, rigidità standardizzati. Poiché gli elementi di collegamento della barra di stabilità possono essere scambiati mentre il dispositivo è collegato per l'animale, la rigidità può essere regolata in diverse fasi durante il processo di guarigione. Gli elementi di connessione vengono scambiati uno alla volta per evitare disallineamenti dei bordi di errori e la distruzione del tessuto neoformato come descritto nel protocollo. Attualmente, quattro differenti rigidezze sono disponibili, ma rigidezze aggiuntivi possono essere raggiunti semplicemente ordinandoli diversi elementi di collegamento di diversi spessori attraverso il produttore del sistema implantare.

I perni di montaggio e telaio principale sono stati fatti da TAN e PEEK rispettivamente, perché questi materiali sono già utilizzati per impianti ortopedici negli esseri umani e la loro biocompatibilità è ben definito. Questi materiali consentono anche di imaging in vivo nelprime fasi di riparazione della frattura con una distorsione minima, e una ridotta incidenza di infezioni. esperimenti in vivo hanno confermato che i fissatori permesso immagini chiare e mantenuto un gap segmentale 5 mm per almeno 8 settimane senza infezione o pin allentamento.

Come ulteriore caratteristica del progetto, il fissatore ha un offset di 6 mm dalla superficie ossea alla barra di stabilità non importa pre-set che la rigidità sono utilizzati elementi di connessione. Questa caratteristica rende l'impianto del fissatore molto riproducibile. Un altro grande vantaggio rispetto ai progetti alternativi descritti in letteratura 1,18,26,27, è che il nuovo fissatore esterno è stato progettato per avere una massa minima (0,32 g) per evitare di caricare incontrollato dovuto a inerzia. Inoltre, dopo l'impianto e la sutura della pelle, la distanza tra il bar dell'impianto croce e la pelle è solo di circa 2 mm. Tale prossimità della superficie cutanea minimizza la forza momento, che impedisce la possibilità diun carico supplementare entro il difetto diverso da quello previsto dal fissatore esterno. Inoltre, per mantenere il trauma chirurgico basso, convenzionale e seghe rotanti non sono stati considerati come strumenti per la creazione di osteotomie grandi o piccole. Queste seghe o tagliati in tessuti adiacenti o striscia il periostio quando i tessuti vengono retratti. In passato abbiamo usato una fresa dentale 4,5 millimetri vide per creare 5 difetti mm e ha scoperto che era impossibile creare difetti esatti e riproducibile di dimensioni con estremità parallele 22,26,27. Per evitare tutti questi problemi abbiamo preso un vantaggio del filo sega Gigli di 0,22 mm. La guida sega stato sviluppato per la creazione riproducibile difetti precisi con estremità parallele.

Ci sono alcune limitazioni quando si usa questa tecnica. Uno dei principali problemi quando si utilizza questo fissatore esterno è la possibilità menzionato nella sezione risultati, che i ratti possono masticare attraverso la piastra fissatore esterno, che è fatta di PEEK. Tuttavia, una specificacoperchio metallico al è stato recentemente sviluppato dal produttore del fissatore per evitare che ciò accada. Allo stesso modo, un collare elisabettiano può essere utilizzato per il primo paio di settimane dopo l'intervento chirurgico per evitare che l'animale da masticare. Un ulteriore problema è che se si utilizza un difetto osseo vuoto per lo studio, c'è la possibilità che i perni di montaggio può tirare fuori dalle ossa diverse settimane dopo l'intervento chirurgico. Inoltre, è fondamentale che il fissatore è impiantato con l'orientamento esatto che è delineata nel protocollo. Se le istruzioni non vengono seguite attentamente, c'è un grande rischio che l'ambiente meccanico fornito dal fissatore rigidità specifico non sarà come è stato previsto, e introdurrà un errore, dando risultati falsi.

I fissatori descritte in questo documento consentono agli investigatori di effettuare gli esperimenti che sono necessari per determinare empiricamente gli effetti dei vari ambienti meccanici e / o meccaniche (rigidità) modulazione buna guarigione in grandi difetti o osteotomie 30,31. Inoltre, la tecnologia fissatore esterno può essere utilizzato in vari studi in cui diversi farmaci e biomateriali sono testati per scoprire nuove terapie non solo per fratture complesse, ma anche per il trattamento delle fratture standard per accelerare il processo di guarigione.

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Disclosures

L'autore Romano Matthys è un dipendente di RISystem AG Davos, Svizzera, che produce gli impianti, gli strumenti specifici impianti e materiali di consumo utilizzati in questo articolo. L'autore Vaida Glatt non ha interessi finanziari in competizione.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dalla Fondazione AO ​​(S-08-42G) e RISystem AG.

Vorremmo estendere un grande "grazie!" alla squadra di Stephan Zeiter presso l'Istituto di Ricerca AO di Davos, in Svizzera per essere così accomodante che ci permette di usare i loro o strutture per le riprese di questa procedura chirurgica.

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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