En förbättrad mekanisk testning metod för att bedöma Bone-implantatet Anchorage

Summary

En förbättrad metod att mekaniskt prov ben förankring till kandidatimplantatytor presenteras. Denna metod möjliggör inriktning av störningar kraften exakt vinkelrätt eller parallellt med planet av implantatytan, och ger en rättvisande sätt att styra de störningar krafterna till en exakt peri-implantat region.

Abstract

Nyligen gjorda framsteg inom materialvetenskap har lett till en avsevärd ökning av den topografiska komplicerade implantatytor, både på mikro-och nanoskala. Som sådan, traditionella metoder för att beskriva implantatytor – nämligen numeriska bestämningsfaktorer för ytjämnhet – är otillräckliga för att förutsäga in vivo-prestanda. Biomekaniska tester ger en korrekt och jämförande plattform för att analysera utvecklingen av biomaterial ytor. En förbättrad mekanisk testmetod för att testa förankring av ben till kandidatimplantatytor presenteras. Metoden gäller för både tidiga och senare stadier av läkning och kan användas för alla olika kemiskt eller mekaniskt modifierade ytor – men inte släta ytor. Anpassad rektangulära implantat placeras bilateralt i distala lårben av Wistar råttor och samlas med det omgivande benet. Provkroppar förbereds och krukväxter med hjälp av en ny utbrytning mögel och störningarTestet utfördes med användning av en mekanisk testmaskin. Denna metod möjliggör inriktning av störningar kraften exakt vinkelrätt eller parallellt med planet av implantatytan, och ger en korrekt och reproducerbara metoder för att isolera en exakt peri-implantat regionen för att testa.

Introduction

Bedöma förankring av ben till endosseous implantatytor har varit i fokus för stor uppmärksamhet, där många mekaniska provningsmetoder har beskrivits ^1,2. Alla sådana metoder innebär en kraft att störa ben / implantatmodell som används, och kan grovt delas in i skjuvning, vanligen presenteras som push-out eller utdrags modeller ^3,4, vända vridmoment ^3,5, och drag typerna ^{6, 7.} Vanligen i sådana test, antingen ben ⁸ eller implantatmaterial (i fallet med spröda glas och keramik ^9,10) är splittrade och, antar någon form av förankring har skett, gränssnitts resterna ben / implantat (åtminstone delvis) intakta. Sådana experimentella resultat innebär inte bara att den kraft som krävs för att orsaka frakturer (eller avbrott) av modellen är inte den kraft som krävs för att separera ben / implantatet gränssnitt ^11,12, men också att den komplexa ytan på den skapade brottplanet kan vara refraktär tillkorrekt mätning. Trots detta kan sådana tester vara kliniskt relevant, eftersom de ger en jämförande mätare på möjligheten för implantat av varierande yta mönster att förankras i benet. Det bör också noteras att sådana jämförelser är endast giltig inom en experimentell modell, medan jämförelser mellan experimentella modeller är förenat med svårighet eftersom utredarna använder olika djurarter uppvisar antingen lamellär eller vävt ben, trabekulära och kortikala benet läker modellerna, och olika mekaniska provgeometrier och villkor.

I ett försök att härleda en mätning av draghållfastheten hos benet / implantatgränsytan, har många forskare använt nominell ytarea av implantatet för att härleda ett värde "draghållfasthet", eftersom draghållfastheten mäts som kraft per ytenhet. Detta är helt klart en approximation ges, enligt beskrivningen ovan, att benet / implantatet gränssnitt förblir intakt i många av de störningar testerna anställaed. Förutom att mäta ytan på implantat, speciellt topografiskt komplexa ytor, är begränsad av upplösningen av den mätteknik som diskuteras av Ronald et al. ¹³ Men som granskats av Brunski et al. ^2, då den nominella ytan av ett implantat tas med i beräkningen, är tydliga skillnader "draghållfasthet" i samband med olika implantatytan motiv negeras, vilket antyder att implantatytor med högre ytarea åstadkomma större områden av ben / implantat kontakt och därmed kräver mer kraft för att spräcka den modellen. Slutsatsen är därför att mer topografiskt komplexa ytor kan öka kontakt osteogenes, vilket resulterar i större benimplantatet kontakt (BIC) och resulterande högre störningsvärden i mekaniska tester. Kontakt osteogenes är produkten av två distinkta fenomen: osteoconduction och benbildning. I själva verket har vi visat att ökningar av osteoconduction på topographtiskt komplexa ytor kan kvantifieras genom att mäta den resulterande BIC ^14, och att dessa ytor resulterar också i högre mekanisk söndring värden ^12.

Emellertid är det nyttigt att notera att peri-benimplantatet kan bildas genom två mekanismer. I kontakt Osteogenesis celler av mesenkymala ursprung migrerar till implantatytan (osteoconduction), differentieras till benceller, och utarbeta de novo benvävnad på implantatytan (benbildning). Den första beniga matrisen utarbetats är en mineraliserad cement linje som sett i normalt ben remodeling ¹⁵ (det finns mycket förvirring i litteraturen om detta mineraliserad biologisk struktur som ibland anses vara un-mineraliserad ¹ eller syncretized med alla gränssnitt i ben ¹⁶ – för en fullständig diskussion om detta ämne se Davies och Hosseini ^17). Kontakta osteogenesis är en nödvändig förutsättning för fenomenet ben-Bindning, men är icke-essentiell för beninväxning ^18. Den mineraliserade cement linje ben är mekaniskt svagare än den mineraliserade kollagenutrymmet av ben ^19. Sålunda intuitivt, om interdigitation av cement line matrix med implantatet nano särdrag jämförs med benvävnad i tillväxt in i makroimplantat funktioner då skulle rimligen kan förväntas av den mekaniska kraft som erfordras för att störa det tidigare för att vara mindre än den senare, och vi nyligen har visat detta experimentellt ^12.

Peri-implantat ben kan också bildas genom distans osteogenesis. I detta fall är ben deponerats på den gamla benytan och blir gradvis närmare implantatytan vilket resulterar i ett gränssnitt som innefattar amorf matris och resterna av osteogena celler ^20. I allmänhet är avståndet osteogenesis förknippas med släta eller bearbetade, endosseous implantatytor och ses ofta i kortikalt ben läka, medan microtopographically komplexa ytor är förknippade med kontakt osteogenesis som är mer typiska för trabekulärt ben läka. Dragprov modeller med jämna implantatytor och kortikala benet läkning har kunnat testa de vidhäftande egenskaperna hos denna amorfa biologisk matris frånvarande av kontakt osteogenesis samband med topografiskt komplexa ytor, och har visat att de så kallade "biokemiska" bindning som uppstår ger en liten del av de "draghållfasthet" värden som rapporterats för topografiskt komplexa ytor ^21. Tvärtom, genom att använda en trabekulärt ben helande modell, Wong et al. ²² visade "en utmärkt korrelation" mellan implantat ytjämnhet och push-out brottlast, och visade att kemisk bindning faktiskt spelat en obetydlig roll i förankring av ben till implantatet yta. Även om det är sannolikt att både kontakt-och distans osteogenesis uppstår, i olika grad, i alla endosalt peri-implant läkande fack har microtopographically komplexa ytor visat sig vara särskilt fördelaktigt i trabekulärt ben-läkning fack ^23. De senare klassificeras som klass III eller klass IV-ben i dentala litteraturen ^24.

Vårt syfte har varit att fokusera på de mekanismer kontakt osteogenes och den resulterande ben / implantat förankring som kan uppstå i en trabekulärt ben helande miljö. Denna förankring, som är beroende av topografin hos implantatytan (se ovan), kan förekomma vid olika skalområden. Å ena sidan är det endast submicron implantat funktioner som blandas in i ben-bindning – såsom beskrivits av interdigitation av den beniga cement line matrix med sådana ytor, och sett på bioaktiva glas, keramiska material och nätformiga metalloxider. Å andra, benvävnad (ibland komplett med blodvaskulaturen) kan växa till flera mikron, eller makronivå, särdrag hos implantatytor ^18. Båda fallen result i en form av ben förankring till implantatets yta, även om de mekanismer som är klart olika. Emellertid är en vanlig brist hos majoriteten av mekaniska testmetoder som refereras ovan för att rikta in störningar kraft i en exakt vinkelrätt eller parallellt plan med den hos implantatytan (beroende på om drag-eller skjuvning används). Vi redovisar här en metod som övervinner denna begränsning.

Protocol

1. Implantat Design, Fabrication och ytbehandling Tillverkning rektangulära implantat (måtten 4 mm x 2,5 mm x 1,3 mm, längd x bredd x höjd) från kommersiellt rent titan (CPTI). Borra ett hål centralt ned den långa axeln av implantatet (diameter = 0,7 mm) för att underlätta tidig implantatstabilitet inom operationsområdet och efterföljande mekanisk provning (Figur 1). Behandla de övre och undre ytorna av implantatet. För att skapa två olika ytor, använda en va…

Representative Results

Alla djur ökat sin ambulerande verksamhet med tiden efter deras återhämtning från kirurgi. Detta är viktigt eftersom belastningen har differentiella effekter på kretsmönster i olika skalområden, som vi nyligen har rapporterat 12. En representativ kraft / förskjutningskurva för testprovbitar följande mekanisk provning anges i fig 9A, och de genomsnittliga data för varje implantatytan återges i fig 9B. Den maximala kraften värdet uppnås med varje prov registrerad…

Discussion

Modellen mekanisk provning presenteras här ger en förbättrad metod för att bedöma förankring av benet för att kandidatimplantatytor, eftersom den tillåter en exakt vinkelrät eller parallell inriktning av testprovet med axeln för störning anbringade kraften, och begränsar sprickzon till inom en halv millimeter av implantatytan. Modellen är lätt införlivas studier som jämför effektiviteten av varje rad kemiskt eller mekaniskt, modifierade ytor, men är inte lämplig för släta ytor som dessa är lätt lo…

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