Eine verbesserte mechanische Testverfahren zu Knochen-Implantat-Anchorage bewerten

Summary

Ein verbessertes Verfahren zur Knochenverankerung zu Testkandidaten Implantatoberflächen mechanisch vorgestellt. Dieses Verfahren ermöglicht die Ausrichtung der Störung Kraft genau senkrecht oder parallel zu der Ebene der Oberfläche des Implantats, und stellt ein genaues Mittel, um die Störung Kräfte auf eine genaue periimplantäres Region zu leiten.

Abstract

Jüngste Fortschritte in der Materialwissenschaft haben zu einer erheblichen Zunahme der topographischen Komplexität von Implantatoberflächen, sowohl auf Mikro-und Nanobereich geführt. Als solche traditionellen Methoden der Implantatoberflächen zu beschreiben – nämlich numerische Determinanten der Oberflächenrauheit – sind für die Vorhersage von In-vivo-Leistung unzureichend. Biomechanische Tests liefert eine genaue und Vergleichsplattform, um die Leistung Biomaterialoberflächen analysieren. Eine verbesserte mechanische Testverfahren, um die Verankerung der Knochenkandidatenimplantatoberflächen testen wird vorgestellt. Das Verfahren ist für den frühen und späteren Phasen der Heilung und kann für jede Reihe von chemisch oder mechanisch modifizierten Oberflächen eingesetzt werden – aber nicht glatten Oberflächen. Individuelle rechteckige Implantate bilateral im distalen Femur von männlichen Wistar-Ratten eingebracht und mit dem umgebenden Knochen gesammelt. Prüfkörper hergestellt und vergossen mit einem neuartigen abtrünnigen Form und die StörungTest wird mit Hilfe eines mechanischen Prüfmaschine durchgeführt. Dieses Verfahren ermöglicht die Ausrichtung der Störung Kraft genau senkrecht oder parallel zu der Ebene der Oberfläche des Implantats, und liefert eine genaue und reproduzierbare Mittel zum Isolieren einer exakten periimplantäres Bereich zum Testen.

Introduction

Bewertung der Verankerung von Knochen zu enossalen Implantatoberflächen hat sich der Fokus von erheblicher Aufmerksamkeit, für die viele mechanische Testmethoden beschrieben worden, ^1,2. Alle diese Methoden zu verhängen eine Kraft auf den Knochen / Implantat-Modell wird eingesetzt zu stören, und kann grob in Scher gruppiert werden, die allgemein als Push-out präsentiert oder Pull-out-Modelle ^3,4, Reverse Drehmoment ^3,5 und Zug-Typen ^{6, 7.} Häufig in solchen Tests, entweder ⁸ oder Knochenimplantatmaterial (im Fall von spröden Gläsern und Keramiken ^9,10) gebrochen ist und unter der Annahme, eine Form der Verankerung stattgefunden hat, die Knochen / Implantat-Interface bleibt (zumindest teilweise) intakt. Solche experimentellen Ergebnisse bedeuten nicht nur, dass das erforderlich ist, um die Fraktur (oder Zerstörung) des Modells führen Kraft ist nicht die erforderlich sind, um die Knochen / Implantat-Interface zu trennen ^11,12 Kraft, sondern auch, dass die komplexe Oberfläche der Bruchfläche können erstellt sein refraktärgenaue Messung. Dennoch können solche Tests klinisch relevant sein, da sie eine Vergleichsanzeige von der Fähigkeit der Implantate unterschiedliche Oberflächengestaltungen im Knochen verankert werden. Es sollte jedoch auch darauf hingewiesen, dass solche Vergleiche sind nur gültig in einem experimentellen Modell, während Vergleiche zwischen experimentellen Modelle sind mit Schwierigkeiten verbunden, da Ermittler verschiedene Tierarten zeigt entweder Lamellen-oder Geflechtknochen werden; trabekulären oder kortikalen Knochenheilungsmodelle und verschiedene mechanische Testgeometrien und Konditionen.

In dem Bemühen, eine Messung der Zugfestigkeit des Knochen / Implantat-Grenzfläche abgeleitet werden, haben viele Forscher die nominale Oberfläche des Implantats verwendet werden, um eine "Zugfestigkeit"-Wert abzuleiten, da die Zugfestigkeit wird als Kraft pro Flächeneinheit gemessen. Dies ist eindeutig eine Näherung gegeben, wie oben erläutert, dass der Knochen / Implantat-Grenzfläche erhalten bleibt in vielen der Unterbrechung Tests verwendenhrsg. Zusätzlich Messung der Oberfläche von Implantaten, insbesondere topographisch komplexen Oberflächen ist durch die Auflösung der Messtechnik beschränkt, wie von Ronald et al. Jedoch ¹³ diskutiert, wie Brunski et al. ^2, überprüft, wenn die Nenn Oberfläche eines Implantats berücksichtigt wird, sind offensichtlich Unterschiede in der "Zugfestigkeit" mit verschiedenen Implantatoberfläche Designs verbunden negiert, was darauf hindeutet, dass Implantatoberflächen mit höherer Oberfläche bieten größere Bereiche der Knochen / Implantat-Kontakt und erfordern daher mehr Kraft, um das Modell zu brechen. Die Implikation ist, dass deshalb mehr topographisch komplexen Oberflächen können Kontakt Osteogenesis, die in größerer Knochen-Implantat-Kontakt (BIC) führt zu erhöhen und den daraus resultierenden höheren Störung Werte in mechanische Prüfungen. Kontakt Osteogenese ist das Produkt von zwei unterschiedlichen Phänomenen: osteokonduktiven und Knochenbildung. In der Tat, wir haben gezeigt, dass auf Topographie in Osteokonduktion erhöhttisch komplexen Oberflächen kann durch Messung des resultierenden BIC ¹⁴ quantifiziert werden, und dass diese Flächen auch in höheren mechanischen Störung Werte ¹² führen.

Es ist jedoch zu beachten, dass heilsame periimplantären Knochen kann durch zwei Mechanismen bilden. In Kontakt Osteogenese Zellen mesenchymalen Ursprungs wandern an die Implantatoberfläche (osteokonduktiven), Knochenzellen differenzieren, und aufwendige de novo Knochenmatrix auf der Implantatoberfläche (Knochenbildung). Die erste Knochenmatrix ausgearbeitet ist eine mineralisierte Zementlinie wie im normalen Knochen gesehen Umbau ¹⁵ (es gibt viel Verwirrung in der Literatur zu dieser mineralisierten biologischen Struktur, die manchmal angenommen wird, werden un-mineralisierten ¹ oder ist mit allen Schnittstellen im Knochen ¹⁶ syncretized – für eine vollständige Diskussion zu diesem Thema siehe Davies und Hosseini ^17). Kontakt Osteogenesis ist eine wesentliche Voraussetzung für das Phänomen der Knochen-Bindung, ist jedoch nicht essentiell für das Einwachsen des Knochens ^18. Die mineralisierte Knochenzementlinie mechanisch schwächer als der mineralisierten Kollagen Fach ¹⁹ Knochen. So intuitiv, wenn die Verzahnung der Zementschicht mit Implantat nano Features wird mit dem Knochengewebe im Wachstum, in Makro-Funktionen im Vergleich Implantat dann die mechanische Kraft erforderlich, die ehemalige zu stören würden, angemessen, zu erwarten, dass weniger als die letztere, und wir haben kürzlich gezeigt, dies experimentell ^12.

Peri-Implantat-Knochen bilden auch nach Entfernung Osteogenesis. In diesem Fall wird auf dem alten Knochen Knochenoberfläche aufgebracht und wird zunehmend näher an der Implantatoberfläche, was zu einer Schnittstelle aus amorphen Matrix und die Reste von osteogenen Zellen ^20. In der Regel wird Abstand Osteogenesis mit glatten oder bearbeitet, enossalen Implantatoberflächen verbunden und wird häufig in der kortikalen Knochenheilung zu sehen, während microtopographically komplexe Oberflächen mit Kontakt Osteogenesis, die eher typisch für trabekulären Knochenheilung ist verbunden. Zugversuch Modelle mit glatten Implantatoberflächen und kortikalen Knochenheilung in der Lage, die Hafteigenschaften des amorphen biologischen Matrix fehlt der Kontakt Osteogenese mit topographisch komplexen Oberflächen zugeordnet zu testen, und haben gezeigt, dass die sogenannte "biochemische" Bindung, die auftritt, stellt ein Nebenkomponente der "Zugfestigkeit"-Werte mit topographisch komplexen Oberflächen ²¹ berichtet. Im Gegenteil, mit einem trabekulären Knochenheilung Modell, ²² zeigten Wong et al. "Eine ausgezeichnete Korrelation" zwischen Implantat Oberflächenrauhigkeit und Push-out Versagenslast, und darauf hingewiesen, dass die chemische Bindung eine vernachlässigbare Rolle in der Verankerung von Knochen auf das Implantat tatsächlich gespielt Oberfläche. Zwar ist es wahrscheinlich, dass beide Kontakt und Abstand Osteogenesis auftreten, in unterschiedlichem Ausmaß, in allen enossalen peri-IMPLAnt Heilfächer, microtopographically komplexen Oberflächen haben gezeigt, sich besonders vorteilhaft in trabekulären Knochenheilung sein Fächer ^23. Letztere werden als Klasse III oder Klasse IV Knochen in der zahnärztlichen Literatur ²⁴ eingestuft.

Unser Ziel war es, über die Mechanismen der Kontakt Osteogenese und der daraus resultierenden Knochen / Implantat-Verankerung, die in einer trabekulären Knochenheilungs Umwelt ergeben konzentrieren können. Dieser Anker, die abhängig von der Topographie der Implantatoberfläche ist (siehe oben), können auf verschiedenen Skalenbereichen auftreten. Einerseits werden nur Submikron Implantat Merkmale der Knochenbrücken beteiligt – wie durch Ineinandergreifen der Knochenzementschicht mit solchen Oberflächen beschrieben, und bioaktive Gläser, Keramiken und netzförmige Metalloxide gesehen. Auf der anderen, Knochengewebe (manchmal komplett mit Blutgefäßsystem) in Multi-Mikron wachsen kann, und Makroebene, Eigenschaften von Implantatoberflächen ^18. Beide Fälle result in Form einer Knochenverankerung an der Implantatoberfläche, obwohl die Mechanismen sind eindeutig verschieden. Jedoch ist ein häufiger Fehler der Mehrzahl von mechanischen Testverfahren vorstehend Bezug genommen, um die Störung Kraft in einer genau senkrecht oder parallel zu der Ebene der Implantatoberfläche (abhängig davon, ob Zug-oder Schubmodus verwendet) auszurichten. Wir berichten hier über eine Methode, die diese Beschränkung überwindet.

Protocol

1. Implantatdesign, Herstellung und Oberflächenbehandlung Herstellung rechteckige Implantate (Abmessungen 4 mm x 2,5 mm x 1,3 mm, Länge x Breite x Höhe) aus Reintitan (cpTi). Bohren Sie ein Loch mittig auf der Längsachse des Implantats (Durchmesser = 0,7 mm) bis Anfang Implantatstabilität innerhalb der Operationsstelle und anschließende mechanische Prüfungen (Abbildung 1) zu erleichtern. Behandlung der oberen und unteren Oberflächen des Implantats. Um zwei unterschi…

Representative Results

Alle Tiere haben ihre ambulante Tätigkeit mit der Zeit nach ihrer Erholung von der Operation. Dies ist wichtig, weil Last hat unterschiedliche Auswirkungen auf Topographien von unterschiedlichen Skalenbereichen, wie wir vor kurzem berichtet 12. Eine repräsentative Kraft / Weg Kurve für Prüflinge folgenden mechanischen Tests in 9A vorgestellt und die gemittelten Daten für jedes Implantat-Oberfläche wird in 9B präsentiert. Die von jeder Probe erreicht maximale Kraftwert …

Discussion

Die mechanische Prüfung hier präsentierten Modell liefert ein verbessertes Verfahren, um die Verankerung der Knochenkandidatenimplantatoberflächen zu bewerten, da es eine genaue senkrechte oder parallele Ausrichtung der Testprobe mit der Achse aufgetragen Störung Kraft und begrenzt die Bruchzone zu innerhalb von einem halben Millimeter von der Implantatoberfläche. Das Modell ist leicht in Studien zum Vergleich der Wirksamkeit einer Reihe von chemisch oder mechanisch modifizierten Oberflächen eingearbeitet, aber ni…

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