Verstelbare stijfheid, externe Fixator voor de Rat femur osteotomie en segmentele botdefecten Modellen
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
De mechanische omgeving rond de genezing van de botbreuk is erg belangrijk omdat het bepaalt hoe de breuk geneest. In het afgelopen decennium is er veel klinisch belang bij het verbeteren van botgenezing door het veranderen van de mechanische omgeving door de fixatie stabiliteit rond de laesie. Een beperking preklinische dierlijke onderzoek op dit gebied is het gebrek aan experimentele regulering van het lokale mechanische omgeving binnen een grote segmentaal defect en osteotomieën ze genezen. In dit artikel doen we verslag van het ontwerp en het gebruik van een externe fixator om de genezing van grote segmentale botdefecten of osteotomie bestuderen. Dit apparaat zorgt niet alleen voor gecontroleerde axiale stijfheid van het bot laesie als het geneest, maar maakt ook de verandering van stijfheid tijdens het genezingsproces in vivo. De experimenten hebben aangetoond dat de fixators konden een 5 mm femorale defecten gap handhaven bij ratten in vivo in onbeperkte kooiactiviteit gedurende ten minste 8 weken. Evenzo zagen we geen vervorming of infecties, waaronder pin infecties gedurende de gehele herstelperiode. Deze resultaten tonen aan dat onze nieuw ontwikkelde externe fixator was in staat om op reproduceerbare en gestandaardiseerde stabilisatie te bereiken, en de verandering van de mechanische omgeving van in vivo rat grote botdefecten en verschillende grootte osteotomie. Dit bevestigt dat het externe fixatie apparaat geschikt voor preklinisch onderzoek waarbij gebruik wordt ratmodel het gebied van botregeneratie en reparatie.
Introduction
Een aantal studies hebben ons begrip van de biologische mechanismen die betrokken zijn bij het botweefsel reparatie 1-6 verbeterd. De effecten van mechanische voorwaarden voor botherstel zoals axiale, afschuiving en interfragmentary bewegingen (IFMs) zijn uitgebreid bestudeerd 7-15. In de afgelopen jaren steeds meer studies begonnen te ontstaan waarin de invloed van de mechanische omgeving van botgenezing met breuk, osteotomie en grote segmentale botdefecten in vivo modellen. Daarom zijn betrouwbare fixatie methoden die nodig zijn om reproduceerbare en betrouwbare studie resultaten te krijgen.
De mechanische omgeving rond de genezende fracturen is erg belangrijk omdat het bepaalt hoe de breuk geneest. Zo is de keuze van de fixeerinrichting is zeer belangrijk en moet zorgvuldig worden gekozen afhankelijk van de onderzoeksopzet en andere factoren zoals de grootte van de opening en het type fractuur. Het bevestigingstoestel mechanische eigenschappen eenre nog belangrijker bij het bestuderen van de benige genezing van grote botdefecten een fixatie die niet alleen een constant hiaatgrootte gedurende het experiment periode van volle gewicht, maar ook een uitstekende mechanische omgeving voor de genezing bot verschaft stellen. Externe fixators worden vaak gebruikt in breuk en grote botdefect experimentele genezing modellen omdat zij een voordeel ten opzichte van andere fixatie apparaten. Het belangrijkste voordeel van de externe fixatoren zijn dat ze zorgen voor de verandering van de mechanische omgeving van de defectlocatie in vivo zonder secundaire ingreep, hetgeen kan worden bereikt door het veranderen of aanpassen van de balk stabiliteit van de inrichting tijdens het experiment als de botgenezing vordert. Bovendien staat de toepassing van specifieke lokale mechanische stimulatie van de reparatie van bot verbeteren, en ook de mogelijkheid om de stijfheid van callus weefsel in vivo te meten. Niettemin, de apparaten hebben ook een paar nadelenwaaronder: irritatie van zacht weefsel infecties en pin breuk.
Helaas, zoals implantaten niet beschikbaar "van de plank" ten tijde van de ontwikkeling implantaat en onderzoekers moesten aangepaste ontwerpen hun eigen fixators voor een bepaald gebruik. Daarom is een beperking van het onderzoek op dit gebied was het ontbreken van experimentele regulering van het lokale mechanische omgeving binnen een grote segmentaal defect en osteotomieën als het geneest. De mechanische eigenschappen van een externe fixator wordt gedefinieerd door en kan worden gemoduleerd door een groot aantal variabelen waaronder: de afstand tussen de pennen, pendiameter, pin materiaal, het aantal pennen, fixator zaagblad, fixator bar nummer, fixator bar materiaal fixator bar dikte en afstand van het botoppervlak de fixator bar (offset). Verrassenderwijs kon alleen een gebrek aan studies gevonden dat de mechanische bijdragen van de afzonderlijke componenten onderzochtvan fixators of gehele frame configuraties gebruikt in studies met knaagdieren 16,18,28. Bijvoorbeeld, een studie resultaten bleek dat een van de belangrijkste factoren die bijdragen aan het bepalen van de totale stijfheid van de vastlegging construct werd gedomineerd door de flexibiliteit van de pennen ten opzichte van de compensatie, diameter en materiaaleigenschappen 28. De resultaten van de bovengenoemde studies suggereren duidelijk dat kennis van de mechanische omgeving door de fixeerinrichting is zeer belangrijk, en toch in veel gevallen niet in detail onderzocht. Dit document meldt het ontwerp, de specificaties en de in vivo implantatie van een externe fixator die dit probleem verhelpt. Deze fixator maakt ook de modulatie van de mechanische milieu verder geneest, een eigenschap die de studie van het mechanisch-gevoeligheid van verschillende stadia van het genezingsproces in vivo mogelijk maakt. Bovendien, en waarbij een gecontroleerde en reproduceerbare lokale monteural milieu, de toegankelijkheid maakt ook de modulatie van deze omgeving in verschillende fasen van botgenezing.
De fixator we gemaakt gebaseerd op externe fixatie, die op grote schaal wordt gebruikt voor fractuurfixatie 16-21 en groot defect modellen in proefdieren 22-27. Het verschil tussen de externe fixator en de andere bestaande ontwerpen in de literatuur is dat hun stabiliteit balk vastgezet met schroeven aan een strakke greep met Kirschner draden (K-draden) hebben. Dit type van het ontwerp vereist schroeven tweewekelijks worden nagetrokken (soms zelfs wekelijks) om ervoor te zorgen dat de afstand van de offset wordt gehandhaafd als de belasting wordt toegepast door middel van gewicht dragen aan de versoepeling van de stabiliteit bar te voorkomen. Indien een dergelijke versoepeling optreedt, het zorgt voor ongewenste extra belasting voorwaarden zoals hoekige, dwarse en wringingsdwarskrachtspanning bewegingen om de genezing bot (gebaseerd op persoonlijke ervaringen, communicatie met researchers). Dit wetende, is een externe fixator zo ontworpen dat wanneer de stijfheid van de fixator moet worden veranderd, zou worden bereikt door het verwijderen van verbindingselementen verbonden met de hoofdmodule waar de bevestigingspennen zijn ingebed. De in vivo proefproject werd uitgevoerd met de nieuwe externe fixator prototype om ervoor te zorgen dat het voldoet aan alle voorgestelde eisen voordat het wordt geproduceerd in grotere hoeveelheden.
Het belangrijkste doel van dit document is een nieuwe chirurgische werkwijze dienen voor een externe fixator voor grote botdefecten en osteotomie in de rat met de mogelijkheid om stijfheid in vivo veranderen tijdens het genezingsproces. Deze fixatie wordt toegepast in vivo de femur van ratten.
Protocol
Representative Results
Discussion
De meest kritische stappen van een chirurgische procedure een groot botdefect maken zijn: 1) het kiezen van de juiste lichaamsgewicht van de rat om de grootte van de externe fixator voldoen; 2) het handhaven van een steriele omgeving tijdens de procedure; en 3) na de chirurgische procedure protocol.
De belangrijkste doelstellingen van dit onderzoek waren het ontwerpen, fabriceren en karakteriseren van een nieuwe variabele stijfheid externe fixator voor de rat femorale grote defect model, en …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de AO Foundation (S-08-42G) en RISystem AG.
We willen graag uitbreiden een zeer grote "dank u!" naar team Stephan Zeiter's aan het AO Research Institute Davos, Zwitserland voor zo meegaand in waardoor wij hun OR faciliteiten te gebruiken voor het filmen van deze chirurgische 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) |
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).
