Een verbeterde mechanische testmethode te beoordelen Bone-implantaat Anchorage

Summary

Een verbeterde methode om te testen botverankeringsmiddel mechanisch kandidaat implantaatoppervlakken wordt gepresenteerd. Deze werkwijze maakt aanpassing van de verstoring kracht, loodrecht of parallel aan het vlak van het oppervlak van het implantaat, en een nauwkeurige manier om de verstoring krachten over naar een exacte peri-implantaat regio.

Abstract

Recente ontwikkelingen in de materiaalkunde heeft geleid tot een aanzienlijke toename van de complexiteit van topografische implantaat oppervlakken, zowel op micro-en nano-schaal. Als zodanig, de traditionele methoden van het beschrijven implantaatoppervlakken – namelijk numerieke determinanten van oppervlakteruwheid – ontoereikend zijn voor het voorspellen van in vivo prestaties. Biomechanische proeven een nauwkeurige en vergelijkende platform om de prestaties van biomateriaal oppervlakken analyseren. Een verbeterde mechanische testen methode om de verankering van het bot te testen om kandidaat implantaatoppervlakken wordt gepresenteerd. De methode is van toepassing op zowel vroege als latere stadia van genezing en kan worden gebruikt voor een reeks chemisch of mechanisch werd gemodificeerd oppervlakken – maar niet gladde oppervlakken. Aangepaste rechthoekige implantaten worden bilateraal in de distale femur van mannelijke Wistarratten geplaatst en verzameld met het omliggende bot. Proefstukken worden voorbereid en opgepot behulp van een nieuwe kopgroep schimmel en de verstoringtest wordt uitgevoerd met een mechanische tester. Deze werkwijze maakt aanpassing van de verstoring kracht, loodrecht of parallel aan het vlak van het oppervlak van het implantaat, en een nauwkeurige en reproduceerbare wijze voor het isoleren van een exacte peri-implantaat regio testen.

Introduction

Het beoordelen van verankering van bot enossale implantaatoppervlakken is de focus van veel aandacht geweest, waarvoor veel mechanische testmethoden zijn beschreven ^1,2. Al deze methoden op te leggen een kracht op het bot / implantaat model in dienst verstoren, en kan grofweg worden ingedeeld in afschuiving, meestal gepresenteerd als push-out of pull-out modellen ^3,4, omgekeerde koppel ^3,5 en soorten ^{trek-6, 7.} Gewoonlijk in dergelijke tests, hetzij bot ⁸ of implantaatmateriaal (bij brosse glazen en keramiek ^9,10) wordt gebroken en, uitgaande van een vorm van verankering heeft plaatsgevonden, het bot / implantaat grensvlak blijft (althans gedeeltelijk) intact. Deze experimentele resultaten betekent niet alleen dat de kracht die nodig is om de breuk (of verstoring) van het model veroorzaakt niet de kracht vereist om het bot / implantaat grensvlak scheiden ^11,12, maar ook dat het complexe oppervlak van de gemaakte breukvlak kan zijn ongevoelignauwkeurige meting. Toch kunnen dergelijke tests zijn klinisch relevant, aangezien ze een vergelijkende meter van het vermogen van de implantaten van verschillende dessins in bot te worden verankerd. Er moet echter ook worden opgemerkt dat dergelijke vergelijkingen zijn alleen geldig binnen een experimenteel model, terwijl vergelijkingen tussen experimentele modellen zijn uiterst moeizaam, omdat de onderzoekers maken gebruik van verschillende diersoorten vertonen ofwel lamellair of geweven bot; trabeculair of corticale bot genezing modellen en verschillende mechanische Testgeometrieën en voorwaarden.

In een poging om een ​​meting van de treksterkte van het bot / implantaat grensvlak leiden, hebben vele onderzoekers het nominale oppervlak van het implantaat gebruikt om een ​​"treksterkte" waarde te berekenen, aangezien treksterkte gemeten als kracht per oppervlakte-eenheid. Dit is duidelijk een benadering gegeven, zoals hierboven uiteengezet, dat het bot / implantaat grensvlak blijft intact in veel van de verstoring proeven diensted.. Bovendien meet de oppervlakte van implantaten, vooral topografisch complexe oppervlakken, wordt beperkt door de resolutie van de meettechniek zoals besproken door Ronald et al.. ¹³ Zoals beoordeeld door Brunski et al.. ^2, wanneer het nominale oppervlak van een implantaat rekening gehouden worden duidelijke verschillen in "treksterkte" in verband met verschillende implantaat oppervlakteontwerpen ontkend, suggereert dat implantaat oppervlakken groter oppervlaktegebied groter contactvlakken bot / implantaat en vereisen dus meer kracht om het model breken. De implicatie is dan ook dat meer topografisch complexe oppervlakken contact osteogenese, waardoor een beter contact botimplantaat (BIC) verhoogt en voortkomende hogere verstoring waarden in mechanische testen. Contact osteogenesis is het product van twee verschillende fenomenen: osteoconductie en botvorming. Inderdaad hebben we aangetoond dat verhogingen van osteoconductie op topograaftisch complexe oppervlakken kunnen worden gekwantificeerd door het meten van de resulterende BIC ^14, en dat dergelijke oppervlakken eveneens tot hogere mechanische verbreking waarden ^12.

Het is echter heilzaam te merken dat de peri-implantaat bot kan vormen door twee mechanismen. In contact osteogenesis cellen van mesenchymale oorsprong migreren naar het oppervlak van het implantaat (osteoconductie), differentiëren tot botcellen, en werken de novo bot matrix op het oppervlak van het implantaat (botaanmaak). De eerste benige matrix uitgewerkt is een gemineraliseerd cement lijn zoals te zien in normaal bot remodeling ¹⁵ (er is veel verwarring in de literatuur over dit gemineraliseerde biologische structuur die soms wordt gedacht un-gemineraliseerde ¹ of wordt syncretiseerden met alle interfaces in bot ¹⁶ te zijn – voor een volledige bespreking over dit onderwerp zie Davies en Hosseini ^17). Contact osteogenesis is een essentiële voorwaarde voor het fenomeen van het bot-Binding, maar is niet essentieel voor botingroei ^18. De gemineraliseerde cement lijn van het bot is mechanisch zwakker dan de gemineraliseerde collageen compartiment van bot ^19. Aldus, intuïtief, indien de interdigitatie van cementlijnmatrix implantaat met nano eigenschappen vergeleken met botweefsel groei in macro implantaat functies dan de mechanische kracht vereist om de eerstgenoemde zou verstoren, redelijkerwijs worden verwacht minder dan de laatste, en we heb dit onlangs aangetoond experimenteel ^12.

Peri-implantaat bot kan ook vormen op afstand osteogenesis. In dit geval wordt bot afgezet op de oude botoppervlak en wordt steeds dichter bij het ​​oppervlak implantaat waardoor interface omvattende amorfe matrix en de resten van osteogene cellen ^20. In het algemeen is de afstand osteogenese geassocieerd met gladde of machinaal, enossale implantaat oppervlakken en wordt vaak gezien in corticale botgenezing, terwijl microtopographically complexe oppervlakken zijn gekoppeld contact osteogenesis die meer kenmerkend trabeculair botgenezing. Trekproef-modellen met gladde oppervlakken en corticaal implantaat botgenezing in staat om de hechting van deze amorfe biologische matrix afwezigheid van contact osteogenese geassocieerd met topografisch complexe oppervlakken testen, en hebben aangetoond dat de zogenaamde "biochemische" binding die optreedt geeft een ondergeschikte component van de "treksterkte" gerapporteerde waarden met topografisch complexe oppervlakken ^21. Integendeel, met een trabeculair botgenezing model, Wong et al.. ²² toonde "een uitstekende correlatie" tussen implantaat oppervlakteruwheid en push-out breukbelasting en aangegeven dat chemische binding een verwaarloosbare rol verankering been inderdaad gespeeld om het implantaat oppervlak. Hoewel het waarschijnlijk is dat zowel contact en afstand osteogenesis optreden, in verschillende mate, in alle enossale peri-Implant genezing compartimenten, microtopographically complexe oppervlakken hebben aangetoond zich bijzonder voordelig in trabeculair bot genezing compartimenten ^23. Deze laatste worden geclassificeerd als klasse III of klasse IV bot in de tandheelkundige literatuur ^24.

Ons doel is om zich te concentreren op de mechanismen van contact osteogenesis en de resulterende bot / implantaat verankering die kan ontstaan ​​in een trabeculair bot healing environment. Deze ankerplaats, die afhankelijk is van de topografie van het oppervlak van het implantaat (zie hierboven), kan op verschillende schaal-reeksen. Enerzijds worden alleen submicron implantaat functies betrokken bij botbindende – zoals beschreven door interdigitatie van de benige cementlijnmatrix met dergelijke oppervlakken, en gezien op bioactieve glazen, keramiek en reticulaire metaaloxiden. Aan de andere, botweefsel (soms compleet met bloed vaatstelsel) kunnen uitgroeien tot multi-micron, of macro-schaal, kenmerken van het implantaat oppervlakken ^18. Beide gevallen result in de vorm van botverankeringsmiddel het implantaat oppervlak, hoewel de mechanismen duidelijk verschillend. Een gemeenschappelijk falen van de meeste mechanische testmethoden hierboven verwezen is de verstoring kracht in een nauwkeurig loodrecht of evenwijdig vlak afstemmen op die van het oppervlak van het implantaat (naargelang trek-of afschuifmodus wordt toegepast). Wij rapporteren hierin een methode die deze beperking overwint.

Protocol

1. Implantaat ontwerp, fabricage, en Oppervlaktebehandeling Fabricage rechthoekige implantaten (afmetingen 4 mm x 2,5 mm x 1,3 mm, lengte x breedte x hoogte) van commercieel zuiver titanium (CpTI). Boor een gat centraal langs de lengteas van het implantaat (diameter = 0,7 mm) vroege stabiliteit van het implantaat binnen het chirurgisch en daaropvolgende mechanische testen (figuur 1) te vergemakkelijken. Behandel de bovenste en onderste oppervlakken van het implantaat. Twee …

Representative Results

Alle dieren verhoogden hun ambulante activiteit met de tijd na hun herstel van een operatie. Dit is belangrijk omdat lading heeft verschillende effecten op topografieën van verschillende omvang bereiken, zoals we onlangs gemeld 12. Een vergelijkingskracht / verplaatsingscurve proefstukken volgende mechanische testen wordt getoond in Figuur 9A, en de gemiddelde gegevens voor elk oppervlak van het implantaat wordt getoond in Figuur 9B. De maximale kracht waarde bereikt door el…

Discussion

De mechanische testen hier gepresenteerde model verschaft een verbeterde werkwijze voor de verankering van bot te beoordelen om kandidaat implantaat oppervlakken, omdat een accurate loodrecht of parallel uitlijning van het monster met de as verstoring uitgeoefende kracht, en beperkt de breukzone te binnen een halve millimeter van het implantaatoppervlak. Het model wordt gemakkelijk opgenomen in de studies de effectiviteit van een reeks chemisch of mechanisch, gemodificeerde oppervlakken vergelijken, maar is niet geschik…

Materials

Dulbecco’s Phosphate Buffer solution (DPBS)	Gibco Life Technologies, Burlington, ON, Canada	14190-250
10% neutral buffered formalin solution	Sigma-Aldrich Co. LLC., Canada	HT501128-4L
Custom-designed rectangular implants (commercially pure titanium; dimensions: 4mm x 2.5mm x 1.3mm with a 0.7mm hole drilled centrally down the long axis)	Biomet 3i, FL, USA	N/A
Custom-designed breakaway mould	Biomet 3i, FL, USA	N/A
Isoflurane	Baxter Internationl Inc.	N/A
Buprenorphine	Bedford Laboratories	N/A
10% betadine	Bruce Medical, MA, US	FR-2200-90
Scalpel	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	2586-M36-0100
Scalpel blade #15 (sterile)	Magna, Medstore, University of Toronto, Canada	2586
Periosteal elevator #24G	Spectrum Surgical, OH, USA	EX7
Forceps	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	7747-A10-108
Tissue forceps	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	7722-A10-308
Scissors	Almedic, Medstore, University of Toronto	7603-A8-240
Absorbant Fabric General Purpose Drape (sterile)	Vitality Medical	1089
Gauze (non-sterile)	VWR	89133-260
Needles 25G X 5/8" (disposable)	BD, Canada	305122
Syringes (sterile)	VWR, Canada	CABD309653
Needle Driver	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	A17-132
Dynarex Surgical gloves (sterile)	Amazon.com	2475
Surgical masks	Fisherbrand, Medstore, University of Toronto, Canada	296360759
0.9% sterile saline	House brand, Medstore, University of Toronto, Canada	1011-L8001
Hair clippers	Remington, US	N/A
4-0 Polysorb	Syneture	SL5627G
9mm Wound Clips	Becton Dickinson, MD, USA	427631
ImplantMED DU 900 and WS-75 dental hand piece	W&H Dentalwerk, Austria	DU1000US
1.3 mm twist drill	Brasseler, GA, USA	203.21.013
1.3 mm dental burr	Biomet 3i, FL, USA	custom
1.2 mm cylindrical side-cutting burr	Biomet 3i, FL, USA	custom
Cylindrical diamond burr	Brasseler, GA, USA	H1.21.014
High speed dental drilling system	Handpiece: KaVo Dental Corporation, IL, USA	N/A
	Handpiece Control: DCI International, OR, USA
99.5% Ultra Pure sucrose	BioShop Canada Inc., Burlington, ON, Canada	57-50-1
Flowable dental composite	Filtek Supreme Ultra Flowable Restorative, 3M ESPE, St Paul, Minnesota, USA	6033XW
Sapphire Plasma Arc high intensity curing light	Den-Mat Holdings, Santa Maria, CA, USA	N/A
Instron 4301 with 1000 N load cell	Instron, Norwood, MA, USA	N/A
Red Wolf 10lb nylon fishing line	Canadian Tire, Canada	78-3610-6
Leica Wild M3Z Stereozoom dissecting microscope	Leica, Heerbrugg, Switzerland	N/A
QImaging Micropublisher 5.0 RTV digital camera coupled with QCapture 2.90.1 acquisition software	QImaging, Surrey, BC, Canada	N/A
Electronic digital caliper	Fred V. Fowler Company, Inc., Newton, MA, USA	N/A
Mechanical testing instrument	Instron, Norwood, MA, USA	N/A