تصلب قابل للتعديل، التبعي الخارجي للفأر عظم الفخذ العظم والقطاعي العظام عيب نماذج
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
البيئة الميكانيكية حول الشفاء من كسر العظام مهمة جدا لأنه يحدد الطريقة سوف تلتئم الكسور. على مدى العقد الماضي كان هناك اهتمام سريرية كبيرة في تحسين التئام العظام عن طريق تغيير البيئة الميكانيكية من خلال تثبيت الاستقرار في جميع أنحاء الآفة. واحدة من القيد البحوث الحيوانية قبل السريرية في هذا المجال هو عدم وجود رقابة التجريبية على البيئة المحلية الميكانيكية داخل عيب قطعي كبير وكذلك خزوعات عظمية لأنها شفاء. نحن في هذه الورقة تقريرا عن تصميم واستخدام والتبعي الخارجي لدراسة شفاء قطعي عيوب العظام الكبيرة أو خزوعات عظمية. هذا الجهاز يسمح ليس فقط لصلابة المحورية التي تسيطر على آفة العظام كما أنه يشفي، لكنه تمكن أيضا تغيير صلابة أثناء عملية الشفاء في الجسم الحي. وقد أظهرت التجارب التي أجريت أن التبعي كانت قادرة على الحفاظ على 5 ملم الفجوة عيب الفخذ في الفئران في الجسم الحي خلال القفص بلا قيودالنشاط لمدة 8 أسابيع على الأقل. وبالمثل، لاحظنا أي تشويه أو التهابات، بما في ذلك التهابات دبوس خلال فترة الشفاء بأكملها. هذه النتائج تثبت أن لدينا التبعي الخارجي وضعت حديثا كان قادرا على تحقيق الاستقرار استنساخه وموحدة، وتغيير البيئة الميكانيكية في الجسم الحي الفئران عيوب العظام الكبيرة ومختلف خزوعات عظمية الحجم. هذا يؤكد أن جهاز التثبيت الخارجي هو مناسب تماما لتحقيقات البحوث قبل السريرية باستخدام نموذج الفئران في مجال تجديد وإصلاح العظام.
Introduction
هناك عدد من الدراسات قد تحسنت فهمنا للآليات البيولوجية المشاركة في العظام إصلاح الأنسجة 1-6. وقد تم دراسة آثار الظروف الميكانيكية على إصلاح العظام مثل محوري، والقص والحركات interfragmentary (نظام الإدارة المالية المتكامل) على نطاق واسع 7-15. في السنوات القليلة الماضية، بدأت المزيد والمزيد من الدراسات تظهر واصفا تأثير البيئة الميكانيكية على التئام العظام باستخدام الكسر، العظم وخلل كبير في العظام القطاعي نماذج الجسم الحي. ولذلك، هناك حاجة إلى طرق التثبيت موثوقة للحصول على نتائج الدراسة استنساخه وموثوق بها.
البيئة الميكانيكية حول كسر الشفاء مهمة جدا لأنه يحدد الطريقة سوف تلتئم الكسور. وبالتالي، فإن اختيار جهاز تثبيت مهم جدا وينبغي اختيار بعناية اعتمادا على تصميم الدراسة، وعوامل أخرى مثل حجم الفجوة ونوع الكسر. الخواص الميكانيكية لتثبيت الجهاز علىإعادة أكثر أهمية عند دراسة التئام عظمي من عيوب العظام الكبيرة لإنشاء التثبيت التي توفر ليس فقط حجم الفجوة المستمر طوال فترة التجربة من الوزن الكامل واضعة، ولكن أيضا بيئة مثالية لالميكانيكية العظام الشفاء. يتم استخدام المثبتات الخارجية عادة في كسر العظام وخلل نماذج كبيرة الشفاء التجريبية لأن لديهم ميزة على أجهزة التثبيت الأخرى. والميزة الرئيسية لالمثبتات الخارجية هي أنها تسمح للتغيير البيئة الميكانيكية في موقع خلل في الجسم الحي دون تدخل الثانوي، وهو ما يمكن تحقيقه عن طريق تغيير أو تعديل شريط استقرار الجهاز أثناء التجربة مثل تقدم التئام العظام. علاوة على ذلك، يسمح تطبيق التحفيز الميكانيكي المحلية المحددة لتعزيز إصلاح العظام، ويوفر أيضا إمكانية لقياس صلابة من النسيج الكالس في الجسم الحي. ومع ذلك، لديها أيضا عدد قليل من أجهزة عيوبالتي تشمل: تهيج الأنسجة اللينة، والالتهابات ودبوس الكسر.
للأسف، كانت هذه الغرسات غير متوفر "من على الرف" في وقت تطور الزرع، واضطر المحققون إلى العرف تصميم التبعي الخاصة بهم لاستخدام المقصود. ولذلك، كان العائق واحد من البحوث في هذا المجال لعدم وجود رقابة التجريبية على البيئة المحلية الميكانيكية داخل عيب قطعي كبير وكذلك خزوعات عظمية لأنه يشفي. يتم تعريف الخصائص الميكانيكية لالتبعي الخارجي من قبل، ويمكن عن طريق التضمين، وعدد كبير من المتغيرات التي تشمل: المسافة بين المسامير، قطر دبوس، دبوس المواد، وعدد من الدبابيس، التبعي طول شريط، شريط رقم التبعي، التبعي المواد شريط، شريط التبعي سمك والمسافة من سطح العظم إلى شريط التبعي (الإزاحة). من المستغرب، سوى قلة من الدراسات يمكن العثور التي حققت مساهمات الميكانيكية للمكونات الفرديةمن التبعي أو تكوينات الإطار كله المستخدمة في الدراسات القوارض 16،18،28. على سبيل المثال، أظهرت نتائج الدراسة أن واحد سيطر أحد العوامل الرئيسية المساهمة في تحديد صلابة الإجمالية للبناء التثبيت من المرونة من المسامير في ما يتعلق بهم أوفست، قطر وخصائص المواد 28. النتائج من الدراسات المذكورة أعلاه تشير بوضوح أن معرفة البيئة الميكانيكية التي يقدمها الجهاز تثبيت أمر مهم للغاية، ومع ذلك، لا يتم التحقيق في كثير من الحالات بالتفصيل. وتفيد الورقة التصميم والمواصفات وزرع في الجسم الحي من التبعي الخارجي الذي يتناول هذه المسألة. هذا التبعي يسمح أيضا لتعديل البيئة الميكانيكية كما تقدم الشفاء، وهي خاصية تمكن دراسة والميكانيكية حساسية مراحل مختلفة من عملية الشفاء في الجسم الحي. بالإضافة إلى ذلك، فضلا عن فرض ميكانيكي المحلية التي تسيطر عليها وقابلة للتكرارالبيئة القاعدة وإمكانية الحصول عليها كما يسمح للتعديل من هذه البيئة في مراحل مختلفة من التئام العظام.
والتبعي قمنا بتصميم وبناء على التثبيت الخارجي، والذي يستخدم على نطاق واسع لتثبيت كسر 16-21 ونماذج عيب كبيرة في حيوانات التجارب 22-27. الفرق بين التبعي لدينا الخارجي والتصاميم الأخرى القائمة التي أعلن عنها في الأدبيات هو أن شريط استقرارها هو المضمون مع مسامير لديها قبضة ضيقة مع أسلاك كيرشنر (K-الأسلاك). هذا النوع من التصميم مسامير يتطلب أن retightened كل أسبوعين (وأحيانا حتى أسبوعية) للتأكد من أن المسافة من الإزاحة يتم الاحتفاظ كما يتم تطبيق التحميل من خلال تحمل الوزن لمنع تخفيف من شريط الاستقرار. وإذا حدث هذا التخفيف، فإنه يسمح لغير المرغوب فيها ظروف التحميل إضافية مثل الزاوي، عرضية وحركات التوائية القص حتى العظم الشفاء (على أساس التجربة الشخصية والتواصل مع researcheRS). هذا مع العلم، وقد صمم لالتبعي الخارجي على هذا النحو أنه عندما صلابة من التبعي تحتاج إلى تغيير، ويمكن تحقيق ذلك عن طريق إزالة عناصر اتصال تعلق على وحدة رئيسية حيث جعلهما دبابيس المتزايدة. تم إجراء تجربة رائدة في الجسم الحي مع التبعي خارجي جديد النموذج للتأكد من أنها تلبي جميع المطالب المقترحة قبل تصنيعه بكميات أكبر.
الهدف الرئيسي لهذه الورقة هو تقديم طريقة جراحية جديدة لالتبعي الخارجي تستخدم لعيوب العظام الكبيرة وخزوعات عظمية في الفئران، مع القدرة على تغيير تصلب في الجسم الحي خلال عملية الشفاء. يتم تطبيق هذه الطريقة في تثبيت الجسم الحي على أفخاذ؛ فخذان من الفئران.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات الأكثر أهمية من إجراء العمليات الجراحية لخلق خلل كبير العظام هي: 1) اختيار وزن الجسم المناسب من الفئران لتتناسب مع حجم التبعي الخارجي؛ 2) الحفاظ على بيئة معقمة أثناء الداخلي؛ و3) بعد بروتوكول الإجراء الجراحي.
وكانت الأهداف …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل مؤسسة AO (S-08-42G) وRISystem AG.
نود أن نمد كبيرة جدا "شكرا!" إلى الفريق ستيفان زعيتر في في معهد أبحاث AO دافوس، سويسرا لكونها استيعاب ذلك في السماح لنا باستخدام مرافقها أو لتصوير هذا الإجراء الجراحي.
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) |
Referências
- 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).
