Регулируемая жесткость, внешний фиксатор для модели крысы Остеотомия бедра и сегментный дефекта кости
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
Механическое окружение вокруг заживления сломанной кости очень важно, поскольку это определяет способ перелом будет исцелять. За последнее десятилетие был достигнут значительный клинический интерес в улучшении заживления костной ткани, изменяя механическую среду через стабильности фиксации вокруг поражения. Один ограничение доклинических исследований на животных в этой области является отсутствие экспериментального контроля над местным механическим среды в пределах большого дефекта сегментарной а также остеотомий как они заживают. В данной работе мы сообщаем о разработке и использовании наружного фиксатора для изучения заживление больших дефектов сегментарный костей или остеотомии. Это устройство позволяет не только для контролируемого осевой жесткости на повреждение кости, как он лечит, но это также позволяет менять жесткость во время процесса заживления в естественных условиях. Проведенные эксперименты показали, что фиксаторы смогли сохранить 5 мм бедренной дефектов разрыв у крыс в естественных условиях в течение неограниченного клеткедеятельность в течение не менее 8 недель. Точно так же мы не наблюдали искажение или инфекций, в том числе контактных инфекций в течение всего периода заживления. Эти результаты показывают, что наш недавно разработанный внешний фиксатор удалось добиться воспроизводимую и стандартизованную стабилизации, и изменение механической среде в естественных условиях крысы дефектов большой кости и различных остеотомий размера. Это подтверждает, что внешняя фиксация устройство хорошо подходит для проведения доклинических исследований исследований с использованием модели крысы в области регенерации и восстановления костей.
Introduction
Ряд исследований улучшили наше понимание биологических механизмов, участвующих в ткани восстановления костей 1-6. Последствия механических условий на ремонт кости, таких как осевых, сдвига и межфрагментарных движений (КССП) были изучены 7-15. В последние несколько лет все больше и больше исследований начали появляться описания влияния механической среды на лечении костей с помощью перелом, остеотомия и большой сегментальную костный дефект в моделях естественных условиях. Поэтому надежные методы фиксации необходимы для получения воспроизводимых и надежных результатов исследования.
Механическое окружение вокруг заживления перелома очень важно, поскольку это определяет способ перелом будет исцелять. Таким образом, выбор фиксации устройства очень важны и должны быть тщательно подобраны в зависимости от дизайна исследования, а также другие факторы, такие как размер зазора и от типа перелома. Механические свойства фиксации устройстваRe даже важнее при изучении костлявую заживление больших костных дефектов установить фиксацию, которая обеспечивает не только постоянный размер зазора в течение всего эксперимента период полной массой несущего, но и идеальную механическую среду для заживления кости. Наружные фиксаторы обычно используются в больших переломов и костных дефектов экспериментальных моделях лечебными, потому что они имеют преимущество перед другими фиксирующими устройствами. Главное преимущество внешних фиксаторов, что они позволяют для изменения механической среды в месте дефекта в естественных условиях без вторичного вмешательства, которое может быть достигнуто путем изменения или регулировки бар устойчивость устройства в ходе эксперимента в качестве исцеление кости прогрессирует. Кроме того, это позволяет применять конкретной локальной механической стимуляции, чтобы добавлять ремонт кости, а также обеспечивает потенциал для измерения жесткости каллусной ткани в естественных условиях. Тем не менее, эти устройства также имеют несколько недостатковкоторые включают в себя: раздражение мягких тканей, инфекции и контактный поломки.
К сожалению, такие имплантаты не были доступны "с полки" на момент разработки имплантатов, и следователи были вынуждены обычаю создавать собственные фиксаторы для использования по назначению. Поэтому, одно ограничение исследований в этой области является отсутствие экспериментального контроля над местным механическим среды в пределах большого дефекта сегментарной а также остеотомия как он лечит. Механические характеристики наружного фиксатора определяются, и можно модулировать, большое количество переменных, которые включают в себя: расстояние между контактами, диаметр контактный, контактный материала, количество контактов, длиной фиксаторов бар, фиксатор бар числа, фиксатор бар материал, толщина фиксатор бар и расстояние от поверхности кости в бар фиксаторов (смещение). Удивительно, но лишь нехватка исследований можно было бы узнать, что исследовали механические вклады отдельных компонентовиз фиксаторов или целых конфигураций кадров, используемых в исследованиях на грызунах 16,18,28. Например, результаты одного исследования показали, что одним из основных факторов, способствующих в определении общей жесткости фиксации конструкции преобладали гибкости штифтов в отношении их смещение, свойств диаметра и материальных 28. Результаты вышеупомянутых исследований четко показывают, что зная механическую среду, представленную фиксации устройства чрезвычайно важно, и все же, во многих случаях не исследовано. Настоящая статья сообщает дизайн, характеристики, и в естественных условиях имплантации наружного фиксатора, который решает эту проблему. Это фиксатор также учитывает модуляцию механической среде как исцеление прогрессирует, свойство, которое позволяет изучение механо-чувствительности различных стадиях процесса заживления в естественных условиях. Кроме того, как и введение контролируемых и воспроизводимых местный механикаль среда, ее доступность и учитывает модуляцию этой среды на разных стадиях заживления костной ткани.
Фиксатор мы разработали была основана на внешней фиксации, который широко используется для фиксации перелома 16-21 и больших моделей дефектов у экспериментальных животных 22-27. Разница между нашей наружного фиксатора и других существующих конструкций, описанных в литературе является то, что их бар стабильность обеспечивается с помощью винтов, чтобы иметь жесткий контроль с Kirschner проводов (спиц). Этот тип конструкции требуется винтов для подтягивать раз в две недели (иногда даже еженедельно), чтобы убедиться, что расстояние смещения поддерживается как нагрузка в через веса подшипника, чтобы предотвратить ослабление баре стабильности. Если такие рыхление происходит, она позволяет нежелательных дополнительных условий нагружения, таких как угловой, поперечных и крутильных движений сдвига к исцелению кости (основано на личном опыте, связи с researcheРС). Зная это, внешний фиксатор был выполнен в виде таким образом, что, когда жесткость фиксатора должен быть изменен, это может быть достигнуто путем удаления соединительные элементы, прикрепленные к основной модуль, в котором крепежные штифты вложенной. В естественных условиях пилот эксперимент проводили с новым внешний фиксатор прототипа, чтобы убедиться, что он отвечает всем предлагаемые требования, прежде чем он производится в больших количествах.
Основная цель этой работы является представление нового хирургического метода для наружного фиксатора, используемого для больших костных дефектов и остеотомий у крыс с возможностью изменения жесткости в естественных условиях во время процесса заживления. Этот способ фиксации применяется в естественных условиях на бедра крыс.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наиболее критические шаги хирургической процедуры, чтобы создать большой костный дефект являются: 1) выбрав соответствующий вес тела крысы в соответствии с размером внешнего фиксатора; 2) поддержание стерильной среды во время процедуры; и 3) в соответствии с протоколом хирургическо?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана фондом АО (S-08-42G) и RISystem AG.
Мы хотели бы выразить очень большое "спасибо!" в команде Стефана Zeiter в в АО НИИ Давосе, Швейцария для того так любезны в разрешении нам использовать их или объектов для съемок этой хирургической процедуры.
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).
