Um método melhorado Ensaios Mecânicos para Avaliar osso-implante Anchorage

Summary

Uma melhor método para mecanicamente teste ancoragem óssea para superfícies de implantes candidatos é apresentada. Este método permite o alinhamento da força de ruptura exactamente perpendicular, ou paralela, em relação ao plano da superfície do implante, e proporciona um meio preciso para dirigir as forças de rompimento para uma região peri-implante exacta.

Abstract

Os recentes avanços na ciência dos materiais, levaram a um aumento substancial na complexidade topográfica da superfície do implante, tanto em um micro-e nano-escala. Como tal, os métodos tradicionais de descrever superfícies de implantes – Determinantes nomeadamente numéricos de rugosidade da superfície – são insuficientes para prever o desempenho in vivo. Teste biomecânico fornece uma plataforma precisa e comparativa para analisar o desempenho de superfícies de biomateriais. Um método melhorado de ensaios mecânicos para testar a ancoragem do osso sobre superfícies de implantes candidatos é apresentada. O método é aplicável a ambas as fases iniciais e posteriores de cura e pode ser utilizado para qualquer gama de superfícies quimicamente ou mecanicamente modificados – mas não as superfícies lisas. Implantes personalizados retangulares são colocados bilateralmente no fêmur distal de ratos Wistar machos e recolhidos com o osso circundante. Corpos de prova são preparados e vaso usando um romance molde separatista ea perturbaçãoensaio é realizado com uma máquina de ensaios mecânicos. Este método permite o alinhamento da força de ruptura exactamente perpendicular, ou paralela, em relação ao plano da superfície do implante, e proporciona um meio preciso e reprodutível para isolar uma região peri-implante exacto para o teste.

Introduction

Avaliando a ancoragem do osso sobre superfícies de implantes endosseous tem sido o foco de considerável atenção, para o qual muitos métodos de teste mecânicos têm sido descritos ^1,2. Todos estes métodos de impor uma força para romper o modelo de osso / implante a ser empregue, e pode ser agrupadas em cisalhamento, geralmente apresentado como de extracção ou modelos de pull-out ^3,4, inverter binário ^3,5, e os tipos de tracção ^{6, 7.} Geralmente, em tais testes, quer de osso ou de materiais de implante ⁸ (no caso de vidros e cerâmicas quebradiças ^9,10) é fracturada e, assumindo alguma forma de fixação tenha ocorrido, os restos de interface osso / implante (pelo menos parcialmente) intactos. Tais resultados experimentais significa não só que a força necessária para provocar a ruptura (ou ruptura) do modelo não é a força necessária para separar a interface osso / implante ^11,12, mas também que a área de superfície complexa do plano de fractura criada pode ser refratária aomedição precisa. No entanto, tais ensaios podem ser clinicamente relevante, uma vez que proporcionam um medidor comparativo da capacidade de implantes de diferentes desenhos de superfície a ser ancorado no osso. No entanto, também deve-se notar que tais comparações são válidas apenas dentro de um modelo experimental, enquanto que as comparações entre os modelos experimentais são repleto de dificuldades desde investigadores usam diferentes espécies de animais exibindo ou lamelar ou tecido ósseo; trabecular ou osso cortical modelos de cura, e diferente mecânico geometrias e as condições de teste.

Em um esforço para obter uma medição da resistência à tracção na interface osso / implante, muitos investigadores têm utilizado a área de superfície nominal do implante, para derivar um valor de "força de tracção", uma vez que a resistência à tracção é medida como a força por unidade de área. Isto é claramente uma aproximação dada, conforme explicado acima, de que a interface osso / implante permanece intacta em muitos dos ensaios de desregulação empregared. Além da medição da área da superfície dos implantes, particularmente em superfícies topograficamente complexas, é limitada pela resolução da técnica de medição, como discutido por Ronald et al. ¹³ No entanto, tal como revisto por Brunski et al. ^2, quando a área superficial nominal de um implante é tomado em consideração, as diferenças aparentes na "força de tracção" associado com diferentes desenhos de superfície de implante são negados, sugerindo que as superfícies de implante com maior área de superfície proporcionam maiores áreas de contacto com o osso / implante e, consequentemente, exige mais força para fracturar o modelo. Assim, a implicação é que mais topograficamente complexa superfícies podem aumentar o contato osteogênese, o que resulta em maior contato osso implante (BIC) e valores resultantes de ruptura mais elevadas em testes mecânicos. Contato osteogênese é o produto de dois fenômenos distintos: osteocondução e formação óssea. Na verdade, temos mostrado que aumenta de osteocondução em topógrafosuperfícies ticamente complexas possível quantificada medindo resultante BIC ¹⁴ e esses superfícies também resultar superior ruptura mecânica valoriza ^12.

No entanto, é salutar notar que o osso peri-implante pode formar através de dois mecanismos. Em células de contacto da osteogénese de origem mesenquimal migram para a superfície do implante (osteocondução), diferenciar-se em células de osso, e elaborar de novo na superfície da matriz óssea do implante (formação do osso). A primeira matriz óssea elaborado é uma linha de cimento mineralizado como visto na remodelação óssea normal ¹⁵ (há muita confusão na literatura sobre esta estrutura biológica mineralizado que às vezes é pensado para ser un-mineralizado ¹ ou é sincretizado com todas as interfaces no osso ¹⁶ – para uma discussão completa sobre este tema ver Davies e Hosseini ^17). Contato osteogênese é uma condição essencial para o fenômeno do osso-Ligação, mas não é essencial para o crescimento ósseo ^18. A linha de cimento mineralizado do osso é mecanicamente mais fraco do que o compartimento de colagénio mineralizado de osso ^19. Assim, intuitivamente, se a interdigitação de matriz de linha de cimento com características nano implante é em comparação com o tecido ósseo em crescimento em macro características do implante, então a força mecânica necessária para romper a primeira seria, razoavelmente, ser prevista para ser menor do que o segundo, e nós demonstraram recentemente esta experimentalmente ^12.

Óssea peri-implantar também pode formar por osteogênese distância. Nesse caso, o osso é depositado sobre a superfície do osso velho e torna-se progressivamente para mais perto da superfície do implante resultando numa interface compreendendo matriz amorfa e os restos de células osteogénicas ^20. Em geral, a osteogênese distância está associada a superfícies de implantes endósseos suaves, ou usinadas e é visto frequentemente na cicatrização do osso cortical, enquanto microtopographicasuperfícies lly complexos estão associados com o contato osteogênese que é mais típico de cicatrização óssea trabecular. Modelos de teste de tração, utilizando superfícies de implantes lisos e reparo ósseo cortical foram capazes de testar as propriedades adesivas deste amorfo ausente matriz biológica da osteogênese de contato associadas a superfícies topograficamente complexos, e têm demonstrado que a chamada união "bioquímico" que ocorre fornece uma componente menor dos valores de "resistência à tração", relatou com superfícies topograficamente complexas ^21. Pelo contrário, utilizando um modelo de cura de osso trabecular, Wong et al. Mostrou ²² "uma excelente correlação" entre o implante e a rugosidade da superfície de carga de extracção falha, e indicaram que a ligação química de facto um papel insignificante na ancoragem do osso para o implante superfície. Embora seja provável que tanto contato e osteogênese distância ocorrem, em diferentes graus, em todos endóssea peri-implant compartimentos de cura, superfícies microtopographically complexos têm se mostrado particularmente vantajoso na cicatrização óssea trabecular compartimentos ^23. Estes últimos são classificados como Classe III ou Classe IV osso na literatura dental ^24.

Nosso propósito foi o de concentrar-se nos mecanismos de contato osteogênese ea ancoragem óssea / implante resultante que pode acontecer em um ambiente de cura óssea trabecular. Esta ancoragem, que é dependente da topografia da superfície do implante (veja acima), pode ocorrer em intervalos de-escala diferente. Por um lado, apenas as características do implante submicrométricas estão implicados em osso de ligação – como descrito por interdigitação da matriz de linha de cimento ósseo com essas superfícies, e visto em vidros bioactivos, de cerâmica e óxidos de metal reticulado. Por outro lado, o tecido (por vezes completo com vascularização sanguínea) osso pode crescer em multi-micron, ou macro-escala, características do implante superfícies ^18. Ambos os casos result, em uma forma de ancoragem do osso à superfície do implante, embora os mecanismos são claramente diferentes. No entanto, uma falha comum da maioria dos métodos de testes mecânicos referenciados acima é alinhar a força de ruptura em um plano exactamente perpendicular, ou paralela à da superfície do implante (consoante o modo de tracção ou de corte é empregue). Relatamos aqui um método que supera essa limitação.

Protocol

1. Implant projeto, fabricação e Tratamento de Superfícies Fabricação implantes retangulares (dimensões 4 milímetros x 2,5 mm x 1.3 mm; comprimento x largura x altura) de titânio comercialmente puro (Ti cp). Perfurar um furo central para baixo ao longo eixo do implante (diâmetro = 0,7 mm) para facilitar a estabilidade do implante precoce no local cirúrgico e testes mecânicos posterior (Figura 1). Tratar as superfícies superior e inferior do implante. Para criar …

Representative Results

Todos os animais aumentaram sua atividade ambulatorial com o tempo após a sua recuperação da cirurgia. Isto é importante porque a carga tem efeitos diferenciados sobre topografias de faixas de escala diferentes, como já relatado recentemente 12. Uma curva representativa de força / deslocação para os espécimes de teste seguintes testes mecânicos é apresentada na Figura 9A, e os dados médios para cada uma das superfícies do implante são apresentados na Figura 9B. …

Discussion

O modelo de teste mecânico aqui apresentado fornece um método melhorado para avaliar a ancoragem do osso sobre superfícies de implantes candidatas, uma vez que permite precisas perpendicular, ou paralela, o alinhamento da amostra de teste com o eixo da força de ruptura aplicado, e limita a zona de fractura dentro de meio milímetro da superfície do implante. O modelo pode ser facilmente incorporado em estudos que comparam a eficácia de qualquer gama de, quimicamente ou mecanicamente, as superfícies modificadas, m…

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