Rigidité réglable, fixateur externe pour les modèles Rat fémur ostéotomie segmentaire et défauts osseux
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
L'environnement mécanique autour de la guérison des os cassé est très importante car elle détermine la façon dont la fracture va guérir. Au cours de la dernière décennie, il ya eu un grand intérêt clinique dans l'amélioration de la cicatrisation osseuse en modifiant l'environnement mécanique par la stabilité de la fixation autour de la lésion. Une contrainte de la recherche animale préclinique dans ce domaine est le manque de contrôle expérimental sur l'environnement mécanique locale dans un grand défaut segmentaire ainsi que ostéotomies car ils guérissent. Dans cet article, nous présentons la conception et l'utilisation d'un fixateur externe pour étudier la guérison des défauts importants segmentaire osseuses ou ostéotomies. Ce dispositif permet, non seulement de la rigidité axiale contrôlée sur la lésion de la moelle qu'elle guérit, mais il permet également la variation de la rigidité au cours du processus de cicatrisation in vivo. Les expériences réalisées ont montré que les fixateurs sont en mesure de maintenir un écart de défaut fémorale 5 mm chez le rat in vivo au cours de cage libreactivité pendant au moins 8 semaines. De même, nous n'avons observé aucune déformation ou d'infections, y compris les infections des broches au cours de la période de cicatrisation entier. Ces résultats démontrent que notre fixateur externe nouvellement développée a été en mesure de parvenir à stabiliser reproductible et normalisée, et l'altération de l'environnement mécanique in vivo chez le rat défauts grand osseuses et diverses ostéotomies de taille. Cela confirme que le dispositif de fixation externe est bien adapté pour des enquêtes de recherche préclinique utilisant un modèle de rat dans le domaine de la régénération osseuse et la réparation.
Introduction
Un certain nombre d'études ont permis de mieux comprendre les mécanismes biologiques impliqués dans la réparation des tissus osseux 1-6. Les effets des conditions mécaniques sur la réparation osseuse tels que axiale, cisaillement et des mouvements interfragmentaires (MFI) ont été largement étudiés 7-15. Au cours des dernières années, de plus en plus d'études ont commencé à émerger décrivant l'influence de l'environnement mécanique sur la cicatrisation osseuse en utilisant une fracture, une ostéotomie et une grande perte de substance osseuse segmentaire dans des modèles in vivo. Par conséquent, les méthodes de fixation fiables sont nécessaires pour obtenir des résultats reproductibles et fiables étude.
L'environnement mécanique autour de la fracture de guérison est très importante car elle détermine la façon dont la fracture va guérir. Ainsi, le choix du dispositif de fixation est très important et doit être soigneusement choisie en fonction de la conception de l'étude, ainsi que d'autres facteurs tels que la taille de l'espace et du type de fracture. Les propriétés mécaniques du dispositif de fixation d'unre encore plus important lorsque l'on étudie la cicatrisation osseuse de grands défauts osseux pour établir une fixation qui ne fournit pas seulement une dimension de l'intervalle constant tout au long de la période d'essai de charge complète, mais également un environnement idéal pour la mécanique de l'os de la guérison. Les fixateurs externes sont couramment utilisés dans les fractures et les grands modèles expérimentaux de guérison des défauts osseux car elles ont un avantage sur d'autres dispositifs de fixation. Le principal avantage de fixateurs externes sont qu'ils permettent la modification de l'environnement mécanique au niveau du site du défaut in vivo sans une intervention secondaire qui peut être obtenue en changeant ou en ajustant la barre de la stabilité de l'appareil au cours de l'expérience, comme l' cicatrisation osseuse progresse. En outre, elle permet l'application de la stimulation mécanique locale spécifique pour améliorer la réparation de l'os, et fournit aussi la possibilité de mesurer la rigidité d'un tissu de cal in vivo. Néanmoins, les dispositifs ont aussi quelques inconvénientsqui comprennent: irritation des tissus mous, les infections et la broche rupture.
Malheureusement, ces implants ne sont pas disponibles «sur étagère» au moment de l'élaboration de l'implant, et les enquêteurs ont été contraints de concevoir sur mesure leurs propres fixateurs pour une utilisation prévue. Par conséquent, une contrainte de la recherche dans ce domaine est le manque de contrôle expérimental sur l'environnement mécanique locale dans un grand défaut segmentaire ainsi que ostéotomies car il guérit. Les caractéristiques mécaniques d'un fixateur externe sont définis par, et peuvent être modulées par un grand nombre de variables qui comprennent: la distance entre les broches, diamètre de la tige, Matériau de l'axe, le nombre de broches, fixateur longueur de la barre, numéro de barre de fixateur, matériau fixateur de la barre, l'épaisseur de la barre de fixateur et la distance entre la surface de l'os de la barre de fixateur (offset). Étonnamment, seulement un manque d'études pourrait être trouvée qui ont étudié les contributions mécaniques des composants individuelsde fixateurs ou des configurations de châssis entiers utilisés dans les études sur les rongeurs 16,18,28. Par exemple, les résultats d'une seule étude ont montré que l'un des principaux facteurs contribuant à la détermination de la rigidité totale de la construction de fixation a été dominée par la flexibilité des broches par rapport à leurs offset, diamètre et les propriétés des matériaux 28. Les résultats des études ci-dessus montrent clairement que la connaissance de l'environnement mécanique fournie par le dispositif de fixation est très important, mais, dans de nombreux cas n'est pas étudié en détail. Cet article présente l'implantation conception, les spécifications, et in vivo d'un fixateur externe qui résout ce problème. Ce fixateur permet également la modulation de l'environnement mécanique cicatrisation progresse, une propriété qui permet l'étude de la mécano-sensibilité de différentes étapes du processus de cicatrisation in vivo. En outre, ainsi que l'imposition d'une mécanique locale contrôlée et reproductibleal environnement, son accessibilité permet également pour la modulation de ce milieu à différents stades de la cicatrisation osseuse.
Le fixateur nous avons conçu a été basée sur la fixation externe, qui est largement utilisé pour la fixation des fractures 16-21 et les grands modèles de défauts dans les animaux de laboratoire 22-27. La différence entre notre fixateur externe et les autres modèles existants dans la littérature est que leur barre de stabilité est fixé avec des vis à avoir une mainmise de broches de Kirschner (K-fils). Ce type de conception nécessite des vis à resserrer toutes les deux semaines (parfois même hebdomadaire) pour s'assurer que la distance du décalage est maintenu que le chargement est appliqué par roulement de poids pour empêcher le relâchement de la barre de stabilité. Si tel relâchement se produit, il permet des conditions de chargement supplémentaires indésirables tels que angulaire, transversale et les mouvements de cisaillement de torsion à l'os de guérison (basé sur l'expérience personnelle, la communication avec researchers). Sachant cela, un fixateur externe a été conçu en tant que telle que, lorsque la rigidité du fixateur doit être changé, il serait obtenue en retirant des éléments de connexion reliés au module principal où les broches de montage sont noyés. L'expérience pilote in vivo a été réalisée avec le nouveau prototype de fixateur externe pour s'assurer qu'il remplit toutes les exigences proposées avant d'être fabriqué en grandes quantités.
L'objectif principal de cet article est de présenter une nouvelle méthode chirurgicale pour un fixateur externe utilisé pour les grands défauts osseux et ostéotomies chez le rat avec la possibilité de modifier la rigidité in vivo au cours du processus de guérison. Ce mode de fixation est appliquée in vivo sur le fémur de rat.
Protocol
Representative Results
Discussion
The most critical steps of a surgical procedure to create a large bone defect are: 1) choosing the appropriate body weight of the rat to match the size of the external fixator; 2) maintaining a sterile environment during the procedure; and 3) following the surgical procedure protocol.
The main goals of this study were to design, manufacture and characterize a new, variable stiffness external fixator for the rat femoral large defect model, and to use this fixator in determining the interplay be…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the AO foundation (S-08-42G) and RISystem AG.
We would like to extend a very big "thank you!" to Stephan Zeiter's team at the AO Research Institute Davos, Switzerland for being so accommodating in allowing us to use their OR facilities for the filming of this surgical procedure.
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
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