In situ drukbelasting en Correlatieve Niet-invasieve beeldvorming van de Bone-parodontale ligament-tooth Stapel Joint
Summary
In deze studie wordt het gebruik van een in situ laadinrichting in combinatie met micro-X-ray tomografie vezelachtige gemeenschappelijke biomechanica besproken. Experimentele uitlezingen identificeerbaar met een totale verandering in joint biomechanica omvatten: 1) reactionaire kracht versus verplaatsing, namelijk tand verplaatsing binnen de alveolaire stopcontact en de reactionaire reactie op belasting, 2) drie-dimensionale (3D) ruimtelijke configuratie en morfometrie, dwz geometrische relatie van de tand met de alveolaire aansluiting en 3) veranderingen in uitlezingen 1 en 2 door een verandering in lading as, dwz concentrische of excentrische belastingen.
Abstract
Deze studie toont een roman biomechanica testprotocol. Het voordeel van dit protocol omvat het gebruik van een in situ laadinrichting gekoppeld met een hoge resolutie röntgenmicroscoop, waardoor visualisatie van inwendige constructiedelen onder gesimuleerde fysiologische belastingen en natte omstandigheden. Experimentele exemplaren zal intact bot-parodontale ligament (PDL)-tand vezelige gewrichten. De resultaten zullen illustreren drie belangrijke eigenschappen van het protocol als ze kunnen worden toegepast op orgel niveau biomechanica: 1) reactionaire kracht versus verplaatsing: tand verplaatsing binnen de alveolaire stopcontact en haar reactionaire reactie op het laden, 2) drie-dimensionale (3D) ruimtelijke configuratie en morfometrie: geometrische relatie van de tand met de alveolaire aansluiting en 3) veranderingen in uitlezingen 1 en 2 door een verandering in lading as, namelijk van concentrisch met excentrische belastingen. Werkzaamheid van het voorgestelde protocol zal geëvalueerd worden door het koppelen van mechanisch testing aanwijzingen naar 3D morfometrie en de algehele biomechanica van het gewricht. Daarnaast zal deze techniek de nadruk leggen op de noodzaak om de experimentele condities in evenwicht, met name reactionaire lasten vóór het verwerven tomograms van vezelig gewrichten. Opgemerkt wordt dat de voorgestelde protocol beperkt tot testen monsters onder ex vivo omstandigheden en dat het gebruik van contrastmiddelen zachte weefsel mechanische respons visualiseren kan leiden tot verkeerde conclusies weefsel en orgaan-niveau biomechanica.
Introduction
Verschillende experimentele methoden verder worden gebruikt om de biomechanica van diarthrodial en vezelig gewrichten onderzoeken. Methoden voor de tand orgel biomechanica omvatten het gebruik van rekstrookjes 1-3, Photoelasticity methoden 4, 5, Moire interferometrie 6, 7, elektronische spikkelpatroon interferometrie 8, en digital image correlation (DIC) 9-14. In deze studie, de innovatieve aanpak omvat invasieve beeldvorming met röntgenstraling om de interne structuur van een vezelig gezamenlijke bloot (gemineraliseerde weefsels en hun interfaces bestaan uit zachter zones en interfacing weefsels zoals gewrichtsbanden) tegen belasting gelijk aan de in vivo omstandigheden. Een in situ laadinrichting gekoppeld met een micro-röntgenmicroscoop wordt gebruikt. De belasting-tijd en de belasting-verplaatsing curves worden verzameld als de molaire van belang in een vers geoogste rat hemi-onderkaak wordt geladen. De main doel van de in deze studie benadering is het effect van driedimensionale morfologie van tand-been benadrukken door aandoeningen vergelijking op: 1) nullast en bij belasting, en wanneer 2) concentrisch en excentrisch geplaatst. Waardoor de noodzaak voor gesneden exemplaren, en experimenten uit te voeren op geheel intacte organen onder natte omstandigheden zal zorgen voor maximaal behoud van de 3D spanningstoestand. Dit opent een nieuw gebied van onderzoek in het begrijpen van onder verschillende laad-scenario dynamische processen van het complex.
In deze studie, de methoden voor het testen van PDL biomechanica binnen een intacte vezelachtige gewricht van een Sprague Dawley rat, een gezamenlijk beschouwd als een optimale biotechniek modelsysteem, zal worden opgenomen. Experimenten zal simulatie van kauwen lasten onder gehydrateerd voorwaarden om tot drie belangrijke kenmerken van het gewricht te benadrukken als ze betrekking hebben op orgel niveau biomechanica. De drie punten zijn onder andere: 1) reactionaire kracht versus verplaatsing:tand verplaatsing binnen de alveolaire stopcontact en de reactionaire reactie op belasting, 2) drie-dimensionale (3D) ruimtelijke configuratie en morfometrie: geometrische relatie van de tand met de alveolaire aansluiting en 3) veranderingen in uitlezingen 1 en 2 door een verandering in laden as, dwz van concentrische naar excentrische belastingen. De drie fundamentele uitlezingen van de voorgestelde techniek kan worden toegepast op de adaptieve aard verbindingen in vertebraten ofwel te wijten aan veranderingen in functionele eisen en / of ziekte. Veranderingen in bovengenoemde uitlezingen bijzonder de correlatie tussen reactionaire belastingen met verplaatsing en verkregen reactionaire load-tijd en load-verplaatsingscurven bij verschillende beladingsgraad kan op algemene wijzigingen in joint biomechanica markeren. Werkzaamheid van het voorgestelde protocol zal geëvalueerd worden door het koppelen van mechanische testen aanwijzingen naar 3D morfometrie en de algehele biomechanica van het gewricht.
Protocol
Representative Results
Discussion
De eerste stap bij het vaststellen van dit protocol betrokken evaluatie van de stijfheid van de laadbrug door een star lichaam. Op basis van de resultaten, de stijfheid significant hoger waardoor het gebruik van de laadinrichting voor het verdere testen van specimens met aanzienlijk lagere stijfheid waarden. De tweede stap gewezen op de mogelijkheid van het instrument om verschillende stijfheid waarden onderscheiden door twee fasen van de laad-lossen kromme gegenereerd door een star lichaam, PDMS materialen van verschil…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen financiële steun NIH / NIDCR R00DE018212 (SPH), NIH/NIDCR-R01DE022032 (SPH), NIH / NIDCR T32 DE07306 (AJ, JDL), NIH / NCRR S10RR026645, (SPH) en departementen van preventieve en herstellende Dental Sciences en orofaciale Wetenschappen, UCSF. Bovendien, de auteurs erkennen Xradia Graduate Fellowship (AJ), Xradia Inc, Pleasanton.
De auteurs danken dr. Kathryn Grandfield, UCSF voor haar hulp met post verwerking van gegevens; Drs. Stephen Weiner en Gili Naveh, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israël, dr. Ron Shahar, de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, Israël voor hun inzichtelijke discussies die specifiek zijn voor de in situ laden apparaat. De auteurs willen ook graag Biomaterialen en Biotechniek MicroCT Imaging Facility op UCSF bedanken voor het gebruik van Micro XCT en de in situ laden apparaat.
Materials
| Bard Parker Blade | BD | MEDC-001054 | |
| AFM metal disk | Ted Pella | 16218 | |
| Polymethyl methacrylate | GC America | N/A | |
| Uni-Etch | Bisco | E5502EBM | |
| Optibond Solo Plus | Kerr Corp | N/A | |
| Filtek Flow | 3M | N/A | |
| Hurculite Ultra | Kerr | 34346 | |
| Tris buffer | Mediatech Inc. | N/A | |
| Articulating paper | |||
| Phosphotungstic Acid | Sigma Aldrich | HT152 |
References
- Popowics, T. E., Rensberger, J. M., Herring, S. W. Enamel microstructure and microstrain in the fracture of human and pig molar cusps. Arch. Oral Biol. 49, 595-605 (2004).
- Jantarat, J., Palamara, J. E., Messer, H. H. An investigation of cuspal deformation and delayed recovery after occlusal loading. J. Dent. 29, 363-370 (2001).
- Jantarat, J., Panitvisai, P., Palamara, J. E., Messer, H. H. Comparison of methods for measuring cuspal deformation in teeth. J. Dent. 29, 75-82 (2001).
- Asundi, A., Kishen, A. A strain gauge and photoelastic analysis of in vivo strain and in vitro stress distribution in human dental supporting structures. Arch. Oral Biol. 45, 543-550 (2000).
- Asundi, A., Kishen, A. Advanced digital photoelastic investigations on the tooth-bone interface. J. Biomed. Opt. 6, 224-230 (2001).
- Wang, R. Z., Weiner, S. Strain-structure relations in human teeth using Moire fringes. J. Biomech. 31, 135-141 (1998).
- Wood, J. D., Wang, R., Weiner, S., Pashley, D. H. Mapping of tooth deformation caused by moisture change using moire interferometry. Dent. Mater. 19, 159-166 (2003).
- Dong-Xu, L., et al. Modulus of elasticity of human periodontal ligament by optical measurement and numerical simulation. Angle Orthod. 81, 229-236 (2011).
- Li, J., Li, H., Fok, A. S., Watts, D. C. Multiple correlations of material parameters of light-cured dental composites. 25, 829-836 (2009).
- Zhang, D., Arola, D. D. Applications of digital image correlation to biological tissues. J. Biomed. Opt. 9, 691-699 (2004).
- Zhang, D., Mao, S., Lu, C., Romberg, E., Arola, D. Dehydration and the dynamic dimensional changes within dentin and and enamel. Dent. Mater. 25, 937-945 (2009).
- Qian, L., Todo, M., Morita, Y., Matsushita, Y., Koyano, K. Deformation analysis of the periodontium considering the viscoelasticity of the periodontal. 25, 1285-1292 (2009).
- Lin, J. D., et al. Biomechanics of a bone-periodontal ligament-tooth fibrous joint. J. Biomech. , (2012).
- Qian, L., Todo, M., Morita, Y., Matsushita, Y., Koyano, K. Deformation analysis of the periodontium considering the viscoelasticity of the periodontal. 25, 1285-1292 (2009).
- Huelke, D. F., Castelli, W. A. The blood supply of the rat mandible. Anat. Rec. 153, 335-341 (1965).
- Chiba, M., Komatsu, K. Mechanical responses of the periodontal ligament in the transverse section of the rat mandibular incisor at various velocities of loading in vitro. J. Biomech. 26, 561-570 (1993).
- Natali, A. N., et al. A visco-hyperelastic-damage constitutive model for the analysis of the biomechanical response of the periodontal ligament. J. Biomech. Eng. 130, (2008).
- Naveh, G. R., Shahar, R., Brumfeld, V., Weiner, S. Tooth movements are guided by specific contact areas between the tooth root and the jaw bone: A dynamic 3D microCT study of the rat molar. J. Struct. Biol. 177, 477-483 (2012).
- Lin, J. D., et al. Biomechanics of a bone-periodontal ligament-tooth fibrous joint. J. Biomech. 46, 443-449 (2013).
- Metscher, B. D. MicroCT for comparative morphology: simple staining methods allow high-contrast 3D imaging of diverse non-mineralized animal tissues. BMC Physiol. 9, 11 (2009).
- Carrillo, F., et al. Nanoindentation of polydimethylsiloxane elastomers: Effect of crosslinking, work of adhesion, and fluid environment on elastic modulus (vol 20, pg 2820). J. Mater. Res. 21, 535-537 (2006).
- Hiiemae, K. M. Masticatory function in the mammals. J. Dent. Res. 46, 883-893 (1967).
- Hunt, H. R., Rosen, S., Hoppert, C. A. Morphology of molar teeth and occlusion in young rats. J. Dent. Res. 49, 508-514 (1970).
- Komatsu, K., Sanctuary, C., Shibata, T., Shimada, A., Botsis, J. Stress-relaxation and microscopic dynamics of rabbit periodontal ligament. J. Biomech. 40, 634-644 (2007).
- Lin, J. D., et al. Biomechanics of a bone-periodontal ligament-tooth fibrous joint. J. Biomech. 46, 443-449 (2013).
- Quintarelli, G., Zito, R., Cifonelli, J. A. On phosphotungstic acid staining. I. J. Histochem. Cytochem. 19, 641-647 (1971).
- Quintarelli, G., Cifonelli, J. A., Zito, R. On phosphotungstic acid staining. II. J. Histochem. Cytochem. 19, 648-653 (1971).
- Quintarelli, G., Bellocci, M., Geremia, R. On phosphotungstic acid staining. IV. Selectivity of the staining reaction. J. Histochem. Cytochem. 21, 155-160 (1973).
- Crabtree, W. N., Murphy, W. M. The value of ethanol as a fixative in urinary cytology. Acta Cytol. 24, 452-455 (1980).
