Justerbar Stivhed, Eksterne fixator for Rat Femur osteotomi og Segmentoplysninger knogledefekt Modeller
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
Den mekaniske miljø omkring heling af brækkede ben er meget vigtigt, da det afgør, hvordan bruddet heler. Over det seneste årti har der været stor klinisk interesse i at forbedre knogleheling ved at ændre mekaniske miljø gennem fiksering stabilitet omkring læsionen. En begrænsning af prækliniske animalsk forskning på dette område er manglen på eksperimentel kontrol over lokal mekanisk miljø inden for et stort segmentdefekt samt osteotomier som de heles. I dette papir rapporterer vi om udformning og anvendelse af en ekstern fiksator at studere heling af store segmental knogle defekter eller osteotomier. Denne enhed ikke kun giver mulighed for kontrolleret aksial stivhed på knoglelæsion som det heler, men det giver også en ændring af stivhed under helingsprocessen in vivo. De gennemførte forsøg har vist, at de fikseringsindretninger var i stand til at opretholde en 5 mm femoral defekt hul hos rotter in vivo under ubegrænset buraktivitet i mindst 8 uger. Ligeledes observerede vi ingen forvrængning eller infektioner, herunder pin infektioner under hele helingsperioden. Disse resultater viser, at vores nyudviklede ekstern fiksator var i stand til at opnå reproducerbar og standardiseret stabilisering, og ændringen af den mekaniske miljø in vivo rotte store knogle defekter og forskellige størrelse osteotomier. Dette bekræfter, at udvendig fastgørelsesindretning er velegnet til prækliniske undersøgelser der anvender en rottemodel inden for knogleregenerering og reparation.
Introduction
En række undersøgelser har forbedret vores forståelse af de biologiske mekanismer, der er involveret i knoglevæv reparation 1-6. Virkningerne af mekaniske forhold på knoglereparation såsom aksial forskydning og interfragmentary bevægelser (IFMs) er blevet undersøgt grundigt 7-15. I de sidste mange år, begyndte flere og flere undersøgelser for at dukke op, der beskriver påvirkningen af mekanisk miljø på knogleheling ved hjælp af fraktur, osteotomi og store segmentdefekter knogle defekt i in vivo modeller. Derfor er der behov pålidelige fikseringsmetoder at få reproducerbare og pålidelige undersøgelse resultater.
Den mekaniske miljø omkring den helbredende fraktur er meget vigtigt, da det afgør, hvordan bruddet heler. Således er valget af fastgørelsesindretningen er meget vigtigt og skal nøje udvælges afhængig af undersøgelsen design og andre faktorer, såsom hul størrelse og typen af fraktur. Den fiksering enhedens mekaniske egenskaber enre endnu mere vigtigt, når man studerer den benede heling af store knogledefekter at etablere en fiksering, der giver ikke kun en konstant hul størrelse hele eksperimentet periode fuld vægtbelastning, men også en ideel mekanisk miljø for heling knogle. Eksterne fiksatorer er almindeligt anvendt i brud og store knogledefekter eksperimentelle helbredende modeller, fordi de har en fordel i forhold til andre fastgørelsesindretninger. Den største fordel af eksterne fikseringsindretninger er, at de giver mulighed for ændring af den mekaniske miljø på det defekte sted in vivo uden et sekundært indgreb, som kan opnås ved at ændre eller justere stabiliteten bar af indretningen i løbet af forsøget som knogleheling skrider frem. Desuden tillader anvendelsen af specifik lokal mekanisk stimulering for at forbedre reparation af knogle, og giver også mulighed for at måle stivheden af kallus væv in vivo. Ikke desto mindre enheder har også et par ulemperder omfatter: irritation af blødt væv, infektioner og stiften knækker.
Desværre er sådanne implantater ikke var tilgængelig "hyldevare" på tidspunktet for udviklingen implantatet, og efterforskerne var tvunget til at custom designe deres egne fiksatorer til særlige anvendelsesformål. Derfor er et begrænsning af forskningen på dette område var manglen på eksperimentel kontrol over det lokale mekaniske miljø i en stor segmentdefekt samt osteotomier som det heler. De mekaniske egenskaber af en ekstern fiksator er defineret af og kan moduleres ved en lang række variabler, som omfatter: afstanden mellem tappene, stiftdiameter, stift materiale, og antallet af ben, fikseringsorgan bar længde fikseringsorgan bar nummer, fikseringsorgan stangmateriale, fikseringsorgan bar tykkelse og afstanden fra knogleoverfladen til fikseringsorganet bar (offset). Overraskende, kunne kun en mangel på undersøgelser, der findes, der har undersøgt de mekaniske bidrag fra enkelte komponenteraf fikseringsindretninger eller hele rammen konfigurationer, der anvendes i forsøg med gnavere 16,18,28. For eksempel viste en undersøgelsens resultater, som en af de vigtigste medvirkende faktorer i fastsættelsen af den samlede stivhed af fiksering konstruktionen blev domineret af fleksibiliteten af benene i forhold til deres offset egenskaber 28, diameter og materiale. Resultaterne fra de ovennævnte undersøgelser tyder klart på, at kende den mekaniske miljø leveres af fiksering enhed er ekstremt vigtigt, og alligevel, er i mange tilfælde ikke undersøgt i detaljer. Nærværende papir rapporterer design, specifikationer, og in vivo implantation af en ekstern fiksator, der løser dette problem. Denne fixator også mulighed for modulering af mekaniske miljø healing skrider frem, en egenskab, der gør det muligt for undersøgelse af mekano-følsomhed af forskellige stadier af helingsprocessen in vivo. Derudover samt indførelse af en kontrolleret og reproducerbar lokale mekanikeral miljø, dens tilgængelighed også mulighed for graduering af dette miljø på forskellige stadier af knogleheling.
Den fiksator vi designet var baseret på ekstern fiksering, der er meget brugt til frakturfiksering 16-21 og store defekte modeller i forsøgsdyr 22-27. Forskellen mellem vores eksterne fiksator og de øvrige eksisterende konstruktioner rapporteret i litteraturen er, at deres stabilitet bar er fastgjort med skruer til at have et fast greb med Kirschner tråde (K-ledninger). Denne type design kræver skruer, der skal efterspændes hver anden uge (nogle gange endda ugentligt) at sørge for, at afstanden mellem offset bevares som belastningen påføres gennem vægtbærende at forhindre løsning af stabiliteten baren. Hvis en sådan lempelse sker, giver det mulighed for uønskede yderligere belastningsforhold såsom kantet, tværgående og torsions shear bevægelser til helbredende knogle (baseret på personlige erfaringer, kommunikation med ResearcheRS). vide dette blev en ekstern fiksator designet som sådan, at når stivheden af fiksator skal ændres, vil det ske ved at fjerne forbindelsen elementer knyttet til de vigtigste modul, hvor monteringstappene lejret. In vivo pilotforsøg blev udført med den nye eksterne fiksator prototype for at sikre, at den opfylder alle de foreslåede krav, før det er fremstillet i større mængder.
Hovedformålet med dette oplæg er at præsentere en ny kirurgisk metode til en ekstern fiksator bruges til store knogle defekter og osteotomier i rotter med mulighed for at ændre stivhed in vivo under helingsprocessen. Denne fastgørelsesmetode anvendes in vivo på den femora hos rotter.
Protocol
Representative Results
Discussion
De mest kritiske trin i en kirurgisk procedure for at skabe en stor knogledefekt er: 1) at vælge den passende legemsvægt af rotte, der svarer til størrelsen af den ydre fikseringsorgan; 2) at opretholde et sterilt miljø i løbet af proceduren; og 3) efter den kirurgiske procedure protokollen.
De overordnede mål med dette forsøg var at designe, fremstille og karakterisere en ny variabel stivhed ekstern fiksator for rotte femorale store defekt model, og at bruge denne fiksator i fa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af AO Foundation (S-08-42G) og RISystem AG.
Vi vil gerne udvide en meget stor "tak!" Stephan Zeiter team på AO Research Institute Davos, Schweiz for at være så imødekommende i at tillade os at bruge deres eller faciliteter til optagelserne af denne kirurgiske 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
- 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).
