Улучшенная Механические испытания Метод для оценки костного имплантата Анкоридж

Summary

Усовершенствованный метод для механической тест костной фиксации, чтобы кандидаты поверхностей имплантатов представлена. Этот метод позволяет выравнивания срыва силу строго перпендикулярно или параллельно, к плоскости поверхности имплантата, и можно точно направлять нарушения силы к точному периимплантной регионе.

Abstract

Последние достижения в области материаловедения, привели к существенному увеличению топографической сложности поверхностей имплантатов, как на микро-и нано-масштабе. По существу, традиционные методы описания поверхностей имплантатов, а именно – численные детерминанты шероховатости поверхности – недостаточны для прогнозирования производительности естественных условиях. Биомеханические тестирование обеспечивает точное и сравнительный платформу для анализа производительности биоматериала поверхностей. Усовершенствованный метод механические испытания, чтобы проверить закрепление кости кандидатов поверхностей имплантатов представлена. Метод применим к обеим ранних и поздних стадиях заживления и может быть использован для любого диапазона химически или механически модифицированных поверхностей, – но не гладкие поверхности. Пользовательские прямоугольные имплантаты помещают на двусторонней основе в дистальной бедренной кости из самцов крыс Вистар и собирали с окружающей кости. Образцы для испытаний готовят и горшках с использованием нового отколовшийся плесени и разрушениеИспытание проводится с использованием механического испытательную машину. Этот метод позволяет выравнивания срыва силу строго перпендикулярно или параллельно, к плоскости поверхности имплантата, а также предоставляет точные и воспроизводимые средства для изоляции точную периимплантной регион для тестирования.

Introduction

Оценка закрепление кости эндооссальных поверхностей имплантатов был в центре внимания пристального внимания, за что огромное механические методы тестирования были описаны ^1,2. Все такие способы наложить силы, чтобы нарушить модель кость / имплантат, используемой, и в целом можно разделить на сдвиге, обычно представлены в виде выталкивающего или выдвижные модели ^3,4, обратный вращающий момент ^3,5, и виды на растяжение ^{6, 7.} Обычно в таких тестах, либо костных ⁸ или имплантат материальных (в случае хрупких стекла и керамики ^9,10) ломается и, предполагая некоторую форму крепления произошло, интерфейс останки кости / имплантата (хотя бы частично) нетронутыми. Такие экспериментальные результаты имею в виду не только то, что сила, необходимая, чтобы вызвать перелом (или нарушением) модели не сила, необходимая для разделения интерфейса кости / имплантата ^11,12, но и, что комплекс площадь поверхности, созданной плоскости перелома может быть огнеупорныхточное измерение. Тем не менее, такие тесты могут быть клинически значимыми, так как они обеспечивают сравнительный датчик способности имплантатов различной конструкции поверхностных быть закреплен в кости. Однако, это также следует отметить, что такие сравнения являются действительными только в пределах экспериментальной модели, в то время как сравнение между экспериментальной модели чреваты трудности с исследователи используют различные виды животных, обнаруживающие любую пластинчатые или тканого трабекулярной кости; или кортикальной кости заживление модели, а также различные механические испытаний геометрия и условия.

В попытке вывести измерение прочности на разрыв интерфейса кость / имплантат, многие исследователи использовали номинальную площадь поверхности имплантата, чтобы получить значение "прочность на разрыв", так как предел прочности при растяжении измеряется как сила на единицу площади. Ясно, что это приближение задан, как описано выше, что интерфейс кость / имплантат остается неизменным во многих срыву испытаний используютиздание Кроме того, измерения площади поверхности имплантатов, в частности топографически сложных поверхностей, ограничивается разрешением измерительной техники, как обсуждалось Рональд и др. ^13. Однако, как отзывы на Brunski др.. ^2, когда номинальная площадь поверхности имплантата учитывается, очевидных различий в прочности на разрыв "", связанных с различными конструкциями поверхности имплантата инвертированы, предполагая, что имплантат поверхности с более высокой площади поверхности обеспечивают большие площади кости / имплантата контакта и, следовательно, требуют больше силы к разрушению модели. Поэтому подразумевается, что более топографически сложных поверхностей может увеличить контактную остеогенез, что приводит к большей контакта кость имплантата (BIC) и ведет к повышению значения нарушения в механических испытаний. Связаться остеогенез является продуктом двух различных явлений: остеокондукции и формирования костей. В самом деле, мы показали, что увеличивает остеокондукции на топограммечески сложных поверхностей может быть определена количественно путем измерения результирующего БИК ^14, и что такие поверхности также привести к увеличению механического разрушения значениями ^12.

Однако, это благотворное отметить, что имплантат костной ткани могут образовывать по двум механизмам. В контакт остеогенеза клеток мезенхимального происхождения мигрируют к поверхности имплантата (остеокондукции), дифференцироваться в клетки костной ткани, и разработать De Novo кости матрицу на поверхности имплантата (остеогенеза). Первый костлявая матрица разработана является минерализованная цемент линии, как показано на нормальной кости реконструкции ¹⁵ (имеется много путаницы в литературе относительно этого минерализованной биологическую структуру, которая иногда думал, что не-минерализованная ¹ или syncretized со всеми интерфейсами в кости ¹⁶ – для полного обсуждения этой темы см. Дэвис и Хоссейни ^17). Связаться остеогенез является необходимым условием для феномена костиСкрепления, но несущественно для врастания кости ^18. Минерализованная цемент линия кости механически слабее минерализованной коллагена отсеке кости ^19. Таким образом, интуитивно, если смыкание зубов цементного линии матрицы с функциями имплантат нано сравнивается с костной тканью роста в макро-функций имплантатов затем механическое усилие, требуемое для разрушения бывший бы, разумно, как ожидается, будет меньше, чем последние, и мы недавно продемонстрировали это экспериментально ^12.

Периимплантной кости могут также образовывать на расстояние остеогенеза. В этом случае, кости осаждается на старой поверхности кости и постепенно становится ближе к поверхности имплантата, в результате чего интерфейс, включающий аморфный матрицу и остатки остеогенных клеток ^20. В общем, расстояние остеогенез связано с гладкими или обработанных, эндооссальных поверхностей имплантатов и часто видели в корковой исцеления кости, в то время как microtopographicaLLY сложных поверхностей связаны с контактной остеогенеза, которая является более типичным для трабекулярной исцеления кости. Растяжение модели тестов с использованием гладких поверхностей имплантатов и корковой исцеление кости были в состоянии проверить адгезионные свойства этой аморфной биологической матрицы отсутствующим контактной остеогенеза, связанной с топографически сложных поверхностей, и показали, что так называемая «биохимическая" склеивание, что происходит обеспечивает минорный компонент из «Предел прочности на разрыв" значений, указанных в топографически сложных поверхностей ^21. Напротив, с помощью трабекулярную заживления модель кости, Вонг и др.. ²² показали "отличную корреляцию" между имплантата шероховатости поверхности и подтолкнуть выезда разрушающей нагрузки, и указал, что химическая связь действительно играл незначительную роль в рейде кости с имплантатом поверхность. Хотя вполне вероятно, что оба контакта и расстояние остеогенез происходит, в разной степени, во всех эндооссальных пери-IMPLAнт исцеления отсеков, microtopographically сложных поверхностей показали себя особенно выгодным в трабекулярной костной исцеления отделений ^23. Последнее относится к классу III или класса IV кости в стоматологической литературе ^24.

Наша цель в том, чтобы сосредоточить внимание на механизмах контактной остеогенеза и результирующей кости / имплантата крепления, которые могут наступить в трабекулярной среды костного исцеления. Это крепление, которое зависит от топографии поверхности имплантата (см. выше), может произойти в различных масштабных диапазонов. С одной стороны, только субмикронные особенности имплантатов вовлечены в костном-склеивание – как описано смыкание зубов костной цементной линии матрицы с таких поверхностей, и видно на биоактивных стекол, керамики и оксидов металлов сетчатые. С другой, костной ткани (иногда в комплекте с сосудистой крови) может вырасти в мульти-микрона, или макро-масштабе, особенности имплантата поверхности ^18. Обоих случаях разрешениеии в виде костной фиксации на поверхности имплантата, хотя механизмы явно отличаются. Тем не менее, общий недостаток большинства механических методов тестирования, на которые ссылается выше, чтобы выровнять с разрывом силу в точно перпендикулярной или параллельной плоскости, что и поверхности имплантата (в зависимости от того, используется при растяжении или сдвига режим). Мы сообщаем здесь метод, который преодолевает это ограничение.

Protocol

1. Имплантат Проектирование, изготовление и обработка поверхности Производство прямоугольные имплантаты (размеры 4 мм х 2,5 мм х 1,3 мм, длина х ширина х высота) из коммерчески чистого титана (CpTi). Просверлите отверстие по центру каждого длинной оси имплантата (диаметр = 0,7 мм) для облег…

Representative Results

Все животные увеличили свою амбулаторную деятельность со временем после их восстановления после операции. Это важно, поскольку нагрузки имеет дифференциальные воздействие на топологий различных диапазонах масштаба, как мы недавно сообщили 12. Представитель кривой силы / переме?…

Discussion

Механические испытания модель, представленные здесь обеспечивает улучшенный способ для оценки закрепление кости кандидатов поверхностей имплантатов, так как он позволяет точно перпендикулярно или параллельно, выравнивание испытуемого образца с осью срыва силы, приложенной; и огран…

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