Ayarlanabilir Sertlik, Sıçan Femur Osteotomi ve Segmental Kemik Hata Modelleri için Eksternal Fiksatör
Summary
One constraint of preclinical research in the field of bone repair is the lack of experimental control over the local mechanical environment within a healing bone lesion. We report the design and use of an external fixator for bone repair with the ability to change fixator stiffness in vivo.
Abstract
Bu kırık iyileşir yolu belirler gibi kırık kemiğin iyileşmesi etrafında mekanik ortamı çok önemlidir. Geçtiğimiz on yıl içinde lezyonun çevresinde tespit istikrar sayesinde mekanik ortamını değiştirerek kemik iyileşmesini büyük klinik ilgi olmuştur. Bu alanda klinik öncesi hayvan bir araştırma kısıt deneysel büyük bir segmental defekt ve yerel mekanik çevre üzerindeki kontrolü yanı sıra onlar iyileşmek Osteotomilerin eksikliğidir. Bu yazıda büyük segmental kemik defektleri veya Osteotomilerin iyileşmesini incelemek için tasarım ve eksternal fiksatör kullanımı hakkında rapor. Iyileşmeyen Bu tertibat kemik lezyonu kontrollü eksensel sertlik sağlar değil, ama aynı zamanda, in vivo olarak iyileşme sürecinde sertlik değişimi sağlar. Yürüttükleri deneyler, sabitleyicilerin 5 mm uyluk defekti boşluğu muhafaza etmek mümkün olduğunu göstermiştir sınırsız kafeste sırasında in vivo sıçanlardaen azından 8 hafta için faaliyet. Aynı şekilde, biz tüm iyileşme döneminde pimi enfeksiyonlar dahil hiçbir bozulma veya enfeksiyon gözlendi. Bu sonuçlar bizim yeni geliştirilen eksternal fiksatör tekrarlanabilir ve standardize stabilizasyonu sağlamak başardı, ve in vivo sıçan büyük kemik defektleri ve çeşitli boyutları osteotomi mekanik ortamının değişiklik göstermektedir. Bu eksternal fiksatör cihaz kemik rejenerasyonu ve onarımı alanında bir fare modeli kullanılarak klinik öncesi araştırma soruşturmalar için de uygun olduğunu onaylar.
Introduction
Bir dizi çalışmada kemik doku onarımında 1-6 katılan biyolojik mekanizmaları daha iyi anlamamızı sağlamıştır. Bu eksenel, kesme ve interfragmenter hareketleri (IFM'ler) gibi kemik tamir ve büyük mekanik etkileri yoğun 7-15 incelenmiştir. Geçtiğimiz birkaç yıl içinde, daha fazla çalışmalar in vivo modellerde kırığı, osteotomi ve büyük segmental kemik defekti ile kemik iyileşmesi üzerine mekanik çevrenin etkisini açıklayan ortaya çıkmaya başlamıştır. Bu nedenle, güvenilir tespit yöntemleri, güvenilir ve tekrarlanabilir çalışma sonuçlarını almak için gereklidir.
Bu kırık iyileşir yolu belirler gibi şifa kırık çevresinde mekanik ortamı çok önemlidir. Bu nedenle, tespit cihazının seçimi çok önemlidir ve dikkatli bir çalışma tasarımına bağlı olarak seçilmelidir ve bu boşluk boyutu ve kırığın tipine gibi diğer faktörlere bağlıdır. Fiksasyon cihazın mekanik özellikleridaha da önemli yeniden tam yük arasında deney süresi boyunca eşit kalan bir boşluk boyutu değil, aynı zamanda kemik iyileşme için ideal bir ortam, sadece mekanik sağlayan bir tespit oluşturmak için büyük bir kemik defektlerinin kemik iyileşmesini çalışıldığında. Diğer fiksasyon cihazları üzerinde bir avantaj var, çünkü eksternal fiksatör yaygın kırık ve büyük kemik defekti deneysel iyileşmesi modellerinde kullanılmaktadır. Dış fiksatörlerin başlıca avantajı olarak deney sırasında cihazın stabilitesi çubuğu değişen ya da ayarlanması ile elde edilebilir ikinci bir müdahale olmadan, in vivo olarak hasarlı bölgede mekanik ortamının değişimi için izin veren olan kemik iyileşmesi ilerler. Ayrıca, kemik onarımı geliştirmek üzere özel lokal mekanik uyarım uygulama yapılmasına izin verir, ve aynı zamanda in vivo olarak yara dokusunun sertliğini ölçmek için potansiyel sağlamaktadır. Bununla birlikte, cihaz, aynı zamanda bazı dezavantajları vardırO şunlardır: yumuşak doku enfeksiyonları ve pim kırılma tahriş.
Ne yazık ki, bu implantlar, implant gelişme sırasında "raftan" mevcut değildi ve araştırmacılar, amaçlanan kullanım için kendi fiksatörler tasarımı özel zorunda kaldılar. O iyileşene Bu nedenle, bu alanda araştırma bir kısıt büyük bir segmental defekt ve yerel mekanik çevre üzerindeki deneysel kontrol eksikliğinin yanı sıra osteotomilerini oldu. Bir harici fiksatörün mekanik özellikleri ile tanımlanır, ve modüle edilebilir, değişkenlere çok sayıda: pimler, pim çapı, iğne malzeme arasındaki mesafe, pim, fiksatör uzunluğu, fiksatör çubuk sayısı sayısı fiksatör Çubuk malzeme, fiksatör çubuk kalınlığı ve fiksatör bar (ofset) için kemik yüzeyinden olan mesafedir. Şaşırtıcı bir şekilde, çalışma sadece yetersizdir, ayrı ayrı bileşenlerin, mekanik katkıları araştırdığımızdan bulunamadıkemirgen çalışmalarında kullanılan sabitleyicilerin 16,18,28 veya bütün çerçeve konfigürasyonları. Örneğin, bir araştırma sonuçları sabitleme yapısının toplam sertliğinin belirlenmesinde ana faktörlerden biridir offset, çap ve malzeme özelliklerine bağlı olarak 28 pimlerinin esnekliği hakim olduğunu göstermiştir. Yukarıda bahsedilen çalışmalarda elde edilen sonuçlar açıkça tespit cihazı tarafından sağlanan mekanik çevre bilerek son derece önemlidir ve yine birçok durumda ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir değildir olduğunu göstermektedir. Bu makale, bu sorunu gideren bir eksternal fiksatör tasarım, özellikler, ve in vivo implantasyonu raporlar. Bu iyileşme, aynı zamanda fiksatör ilerledikçe mekanik ortamında, in vivo olarak, iyileşme sürecinin farklı aşamalarında-mekanik duyarlılık çalışma sağlayan bir özelliği modülasyonu için izin verir. Buna ek olarak, hem de getiren bir kontrol edilen ve tekrar lokal mekanikark ortamı, erişilebilirlik kemik iyileşmesinin değişik aşamalarında bu ortamın modülasyonu için izin verir.
Biz tasarlanmış fiksatör yaygın deney hayvanlarında 22-27 kırık tespit 16-21 ve geniş bir defekt modellerinde kullanılan eksternal fiksasyon, dayalıdır. Bizim eksternal fiksatör ve literatürde mevcut diğer tasarımlar arasında fark onların kararlılık bar Kirschner telleri (K-teli) ile sıkı bir kavrama sahip vidalarla sabitlenmiş olmasıdır. Bu tip tasarımın iki haftada tekrar sıkılması için vida gerektirir (hatta bazen haftalık) yükleme stabilite çubuğunun gevşemesinin önlenmesi için, yük taşıma vasıtasıyla uygulanır olarak ofset mesafesi muhafaza emin olmak için. Böyle gevşeme oluşursa, böyle köşeli, enine ve şifa kemiğe burulma kayma hareketleri gibi istenmeyen ek yükleme koşulları sağlar (Researche ile kişisel deneyim, iletişime dayalıBunu bilerek rs)., eksternal fiksatör fiksatör sertlik değiştirilmesi gerektiğinde, bu montaj pimleri gömülmüştür ana modülüne bağlı bağlantı elemanları kaldırarak elde edileceğini gibi tasarlanmıştır. In vivo Pilot deneme daha büyük miktarlarda üretilmektedir önce önerilen tüm taleplerini karşıladığından emin olmak için yeni eksternal fiksatör ile prototip yapıldı.
Bu çalışmanın ana amacı, iyileşme süreci boyunca in vivo olarak sertlik değiştirme yeteneği ile sıçanlarda büyük kemik kusurları ve osteotomi için kullanılan bir harici fiksatörün için yeni bir cerrahi yöntem sunmaktır. Bu tespit yöntemi, sıçanların femur in vivo olarak uygulanır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Büyük bir kemik defekti oluşturmak için bir cerrahi prosedürün en kritik adımlar şunlardır: 1) sıçanın uygun vücut ağırlığını tercih eksternal fiksatör boyutuna uyacak; 2) işlem sırasında steril ortamı muhafaza; ve 3) cerrahi prosedür protokolü takip.
Bu çalışmanın ana amacı, tasarım üretim ve sıçan femoral geniş bir defekt modeli için yeni bir değişken sertlik eksternal fiksatör karakterize, ve iyileşme sürecinde biyolojik ve mekanik faktörler aras…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma AO vakıf (S-08-42G) ve RISystem AG tarafından desteklenmiştir.
Biz çok büyük bir sunarım "teşekkür ederim!" Bize bu cerrahi işlem çekimleri için kendi VEYA tesisleri kullanmak için izin kadar uzlaşmacı olduğu için AO Araştırma Enstitüsü Davos, İsviçre'de Stephan Zeiter takımı için.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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 | |
| 1cc 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) |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Jazrawi, L. M., et al. Bone and cartilage formation in an experimental model of distraction osteogenesis. J Orthop Trauma. 12, 111-116 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- Augat, P., et al. Shear movement at the fracture site delays healing in a diaphyseal fracture model. J Orthop Res. 21, 1011-1017 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- Duda, G. N., et al. Interfragmentary motion in tibial osteotomies stabilized with ring fixators. Clin Orthop Relat Res. , 163-172 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mark, H., Rydevik, B. Torsional stiffness in healing fractures: influence of ossification: an experimental study in rats. Acta Orthop. 76, 428-433 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
