Summary
Ein verbessertes Verfahren zur Knochenverankerung zu Testkandidaten Implantatoberflächen mechanisch vorgestellt. Dieses Verfahren ermöglicht die Ausrichtung der Störung Kraft genau senkrecht oder parallel zu der Ebene der Oberfläche des Implantats, und stellt ein genaues Mittel, um die Störung Kräfte auf eine genaue periimplantäres Region zu leiten.
Abstract
Jüngste Fortschritte in der Materialwissenschaft haben zu einer erheblichen Zunahme der topographischen Komplexität von Implantatoberflächen, sowohl auf Mikro-und Nanobereich geführt. Als solche traditionellen Methoden der Implantatoberflächen zu beschreiben - nämlich numerische Determinanten der Oberflächenrauheit - sind für die Vorhersage von In-vivo-Leistung unzureichend. Biomechanische Tests liefert eine genaue und Vergleichsplattform, um die Leistung Biomaterialoberflächen analysieren. Eine verbesserte mechanische Testverfahren, um die Verankerung der Knochenkandidatenimplantatoberflächen testen wird vorgestellt. Das Verfahren ist für den frühen und späteren Phasen der Heilung und kann für jede Reihe von chemisch oder mechanisch modifizierten Oberflächen eingesetzt werden - aber nicht glatten Oberflächen. Individuelle rechteckige Implantate bilateral im distalen Femur von männlichen Wistar-Ratten eingebracht und mit dem umgebenden Knochen gesammelt. Prüfkörper hergestellt und vergossen mit einem neuartigen abtrünnigen Form und die StörungTest wird mit Hilfe eines mechanischen Prüfmaschine durchgeführt. Dieses Verfahren ermöglicht die Ausrichtung der Störung Kraft genau senkrecht oder parallel zu der Ebene der Oberfläche des Implantats, und liefert eine genaue und reproduzierbare Mittel zum Isolieren einer exakten periimplantäres Bereich zum Testen.
Introduction
Bewertung der Verankerung von Knochen zu enossalen Implantatoberflächen hat sich der Fokus von erheblicher Aufmerksamkeit, für die viele mechanische Testmethoden beschrieben worden, 1,2. Alle diese Methoden zu verhängen eine Kraft auf den Knochen / Implantat-Modell wird eingesetzt zu stören, und kann grob in Scher gruppiert werden, die allgemein als Push-out präsentiert oder Pull-out-Modelle 3,4, Reverse Drehmoment 3,5 und Zug-Typen 6, 7. Häufig in solchen Tests, entweder 8 oder Knochenimplantatmaterial (im Fall von spröden Gläsern und Keramiken 9,10) gebrochen ist und unter der Annahme, eine Form der Verankerung stattgefunden hat, die Knochen / Implantat-Interface bleibt (zumindest teilweise) intakt. Solche experimentellen Ergebnisse bedeuten nicht nur, dass das erforderlich ist, um die Fraktur (oder Zerstörung) des Modells führen Kraft ist nicht die erforderlich sind, um die Knochen / Implantat-Interface zu trennen 11,12 Kraft, sondern auch, dass die komplexe Oberfläche der Bruchfläche können erstellt sein refraktärgenaue Messung. Dennoch können solche Tests klinisch relevant sein, da sie eine Vergleichsanzeige von der Fähigkeit der Implantate unterschiedliche Oberflächengestaltungen im Knochen verankert werden. Es sollte jedoch auch darauf hingewiesen, dass solche Vergleiche sind nur gültig in einem experimentellen Modell, während Vergleiche zwischen experimentellen Modelle sind mit Schwierigkeiten verbunden, da Ermittler verschiedene Tierarten zeigt entweder Lamellen-oder Geflechtknochen werden; trabekulären oder kortikalen Knochenheilungsmodelle und verschiedene mechanische Testgeometrien und Konditionen.
In dem Bemühen, eine Messung der Zugfestigkeit des Knochen / Implantat-Grenzfläche abgeleitet werden, haben viele Forscher die nominale Oberfläche des Implantats verwendet werden, um eine "Zugfestigkeit"-Wert abzuleiten, da die Zugfestigkeit wird als Kraft pro Flächeneinheit gemessen. Dies ist eindeutig eine Näherung gegeben, wie oben erläutert, dass der Knochen / Implantat-Grenzfläche erhalten bleibt in vielen der Unterbrechung Tests verwendenhrsg. Zusätzlich Messung der Oberfläche von Implantaten, insbesondere topographisch komplexen Oberflächen ist durch die Auflösung der Messtechnik beschränkt, wie von Ronald et al. Jedoch 13 diskutiert, wie Brunski et al. 2, überprüft, wenn die Nenn Oberfläche eines Implantats berücksichtigt wird, sind offensichtlich Unterschiede in der "Zugfestigkeit" mit verschiedenen Implantatoberfläche Designs verbunden negiert, was darauf hindeutet, dass Implantatoberflächen mit höherer Oberfläche bieten größere Bereiche der Knochen / Implantat-Kontakt und erfordern daher mehr Kraft, um das Modell zu brechen. Die Implikation ist, dass deshalb mehr topographisch komplexen Oberflächen können Kontakt Osteogenesis, die in größerer Knochen-Implantat-Kontakt (BIC) führt zu erhöhen und den daraus resultierenden höheren Störung Werte in mechanische Prüfungen. Kontakt Osteogenese ist das Produkt von zwei unterschiedlichen Phänomenen: osteokonduktiven und Knochenbildung. In der Tat, wir haben gezeigt, dass auf Topographie in Osteokonduktion erhöhttisch komplexen Oberflächen kann durch Messung des resultierenden BIC 14 quantifiziert werden, und dass diese Flächen auch in höheren mechanischen Störung Werte 12 führen.
Es ist jedoch zu beachten, dass heilsame periimplantären Knochen kann durch zwei Mechanismen bilden. In Kontakt Osteogenese Zellen mesenchymalen Ursprungs wandern an die Implantatoberfläche (osteokonduktiven), Knochenzellen differenzieren, und aufwendige de novo Knochenmatrix auf der Implantatoberfläche (Knochenbildung). Die erste Knochenmatrix ausgearbeitet ist eine mineralisierte Zementlinie wie im normalen Knochen gesehen Umbau 15 (es gibt viel Verwirrung in der Literatur zu dieser mineralisierten biologischen Struktur, die manchmal angenommen wird, werden un-mineralisierten 1 oder ist mit allen Schnittstellen im Knochen 16 syncretized - für eine vollständige Diskussion zu diesem Thema siehe Davies und Hosseini 17). Kontakt Osteogenesis ist eine wesentliche Voraussetzung für das Phänomen der Knochen-Bindung, ist jedoch nicht essentiell für das Einwachsen des Knochens 18. Die mineralisierte Knochenzementlinie mechanisch schwächer als der mineralisierten Kollagen Fach 19 Knochen. So intuitiv, wenn die Verzahnung der Zementschicht mit Implantat nano Features wird mit dem Knochengewebe im Wachstum, in Makro-Funktionen im Vergleich Implantat dann die mechanische Kraft erforderlich, die ehemalige zu stören würden, angemessen, zu erwarten, dass weniger als die letztere, und wir haben kürzlich gezeigt, dies experimentell 12.
Peri-Implantat-Knochen bilden auch nach Entfernung Osteogenesis. In diesem Fall wird auf dem alten Knochen Knochenoberfläche aufgebracht und wird zunehmend näher an der Implantatoberfläche, was zu einer Schnittstelle aus amorphen Matrix und die Reste von osteogenen Zellen 20. In der Regel wird Abstand Osteogenesis mit glatten oder bearbeitet, enossalen Implantatoberflächen verbunden und wird häufig in der kortikalen Knochenheilung zu sehen, während microtopographically komplexe Oberflächen mit Kontakt Osteogenesis, die eher typisch für trabekulären Knochenheilung ist verbunden. Zugversuch Modelle mit glatten Implantatoberflächen und kortikalen Knochenheilung in der Lage, die Hafteigenschaften des amorphen biologischen Matrix fehlt der Kontakt Osteogenese mit topographisch komplexen Oberflächen zugeordnet zu testen, und haben gezeigt, dass die sogenannte "biochemische" Bindung, die auftritt, stellt ein Nebenkomponente der "Zugfestigkeit"-Werte mit topographisch komplexen Oberflächen 21 berichtet. Im Gegenteil, mit einem trabekulären Knochenheilung Modell, 22 zeigten Wong et al. "Eine ausgezeichnete Korrelation" zwischen Implantat Oberflächenrauhigkeit und Push-out Versagenslast, und darauf hingewiesen, dass die chemische Bindung eine vernachlässigbare Rolle in der Verankerung von Knochen auf das Implantat tatsächlich gespielt Oberfläche. Zwar ist es wahrscheinlich, dass beide Kontakt und Abstand Osteogenesis auftreten, in unterschiedlichem Ausmaß, in allen enossalen peri-IMPLAnt Heilfächer, microtopographically komplexen Oberflächen haben gezeigt, sich besonders vorteilhaft in trabekulären Knochenheilung sein Fächer 23. Letztere werden als Klasse III oder Klasse IV Knochen in der zahnärztlichen Literatur 24 eingestuft.
Unser Ziel war es, über die Mechanismen der Kontakt Osteogenese und der daraus resultierenden Knochen / Implantat-Verankerung, die in einer trabekulären Knochenheilungs Umwelt ergeben konzentrieren können. Dieser Anker, die abhängig von der Topographie der Implantatoberfläche ist (siehe oben), können auf verschiedenen Skalenbereichen auftreten. Einerseits werden nur Submikron Implantat Merkmale der Knochenbrücken beteiligt - wie durch Ineinandergreifen der Knochenzementschicht mit solchen Oberflächen beschrieben, und bioaktive Gläser, Keramiken und netzförmige Metalloxide gesehen. Auf der anderen, Knochengewebe (manchmal komplett mit Blutgefäßsystem) in Multi-Mikron wachsen kann, und Makroebene, Eigenschaften von Implantatoberflächen 18. Beide Fälle result in Form einer Knochenverankerung an der Implantatoberfläche, obwohl die Mechanismen sind eindeutig verschieden. Jedoch ist ein häufiger Fehler der Mehrzahl von mechanischen Testverfahren vorstehend Bezug genommen, um die Störung Kraft in einer genau senkrecht oder parallel zu der Ebene der Implantatoberfläche (abhängig davon, ob Zug-oder Schubmodus verwendet) auszurichten. Wir berichten hier über eine Methode, die diese Beschränkung überwindet.
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Protocol
1. Implantatdesign, Herstellung und Oberflächenbehandlung
- Herstellung rechteckige Implantate (Abmessungen 4 mm x 2,5 mm x 1,3 mm, Länge x Breite x Höhe) aus Reintitan (cpTi). Bohren Sie ein Loch mittig auf der Längsachse des Implantats (Durchmesser = 0,7 mm) bis Anfang Implantatstabilität innerhalb der Operationsstelle und anschließende mechanische Prüfungen (Abbildung 1) zu erleichtern.
- Behandlung der oberen und unteren Oberflächen des Implantats.
- Um zwei unterschiedliche Oberflächen zu erstellen, verwenden Sie ein Standard-Sandstrahlen (GB), um eine Behandlung microtopographically komplexe Oberfläche erstellen. Weitere modifizieren Hälfte der Implantate durch Überlagerung von Calciumphosphat (CaP)-Nanopartikeln, um eine nanotopographically komplexe Oberfläche erstellen.
Hinweis: Eine Vielzahl von chemischen oder mechanischen Behandlungen können angewendet werden, um eine gewünschte Oberflächentopographie und / Chemie oder erstellen, und diese hängt von der Art der Versuchs questi hängenzu richten. Ein subtraktiven Prozess - - In dem hier vorliegenden Beispiel wurde eine Gruppe aus Reintitan (cpTi) Implantate Sandstrahlen (GB) unterzogen, um einen komplexen Mikrotopographie erstellen. Die Hälfte der Implantate wurden dann durch die Zugabe von Calciumphosphat (CaP)-Nanokristalle modifiziert, um eine überlagerte Nanotopographie (GB-DCD) zu erstellen.
Anmerkung: Bei der Betrachtung der gestrahlte Mikro Oberfläche, verglichen mit der modifizierten Nanofläche bei 10.000-facher Vergrößerung, gibt es keinen offensichtlichen Unterschied in der Oberflächeneigenschaften. Wenn jedoch bei 100.000-facher Vergrößerung betrachtet wird, offensichtlich werden Unterschiede (Abbildung 2). Es wurde bereits gezeigt, dass eine solche Oberflächenveränderungen haben tiefgreifende Auswirkungen auf Osteokonduktion 14.
2. Tiermodell und Operationsverfahren
- Verwenden jungen männlichen Wistar-Ratten (200-250 g) für dieses Modell. Alle Verfahren müssen von den örtlichen Tierpflege com genehmigt werdenAusschüsse. Lassen Tiere freien Zugang zu Wasser und Rattenfutter.
Anmerkung: Wistar-Ratten wurden für dieses Verfahren aufgrund früherer Erfahrungen mit diesem Rattenstamm ausgewählt, obwohl auch andere Stämme von Ratten verwendet werden. Zugang zu Nahrung und Wasser verändert werden kann, abhängig von der Art der Versuchs Frage angesprochen. - Sedate Ratten mit Inhalationsnarkose durch einen Nasenkegel verabreicht: 4% Isofluran in ein LO 2 / min für Induktion; 2% Isofluran in 1 L Lachgas und 0,6 LO 2 / min für die Wartung. Führen Sie eine Standard-toe-Pinch-Test, um effektive Sedierung vor der Fortsetzung des Verfahrens zu gewährleisten.
- Verwalten Analgetikum prä-und postoperativ durch eine subkutane Injektion von 0,01 bis 0,05 mg / kg Buprenorphin.
- Weisen Implantate durch partielle Randomisierung und legen bilateral in den distalen Metaphysen der Ratte Femora. Dies ermöglicht eine andere Implantat, jeweils aus einer Auswahl von verschiedenen Oberflächentopographien zu vergleichen,d, in kontralateralen Femur, um statistische Analysen zu optimieren.
- Bereiten Sie die Tiere durch Rasur und Reinigung der antero-lateralen jedes Hinterbein mit 10% Betadine. Um Unterkühlung zu vermeiden, eine Warmwasserzirkulation Pad unter der narkotisierten Ratte.
- Mit einem chirurgischen Skalpell Nr. 15, einen Einschnitt durch die Haut entlang der lateralen Seite des Oberschenkels, um den Muskel aus. Setzen Sie die distale Femur mit stumpf, um die Muskelkörper in einer minimal-invasive Art und Weise abzulenken.
- Kratzen Sie die dünne Schicht der Knochenhaut, die über dem Oberschenkelknochen mit einem Raspatorium, um vollständig freizulegen den kortikalen Knochen zum Bohren. Es ist darauf zu achten, dass die Wachstumsplatte oder Gelenkknorpel des Kniegelenks während stumpf und Entfernung von Knochenhaut zu beschädigen.
- Einmal gereinigt und inspiziert, drehen den Femur seitlich an der vorderen Seite des distalen Oberschenkelknochens (3A) freizulegen.
- Um die Operationsstelle vorzubereiten, bohren Sie einbikortikalen rechteckigen Schlitz in der Mitte des Knochens durch beide Rinden. Um eine Überhitzung des Gewebes zu vermeiden, muss im gesamten Kochsalzlösung Bewässerung Bohren durch einen chirurgischen Assistenten gehalten werden. Führen Sie die Bohrungen in drei Stufen:
- Zuerst bohren durch den vorderen Hirnrinde, durch Dissektion ausgesetzt ist, mit einem 1,3 mm Zahn Grat zu einer zahnärztlichen Handstück, zwei Löcher von 2,5 mm, die entlang der Mittellinie des Oberschenkels zu erstellen befestigt.
- Nächstes verwenden einen zweiten Bohrer (1,3 mm Zahn Twist Grat), um diese Löcher durch die gegnerische Kortex zu verlängern, was zu bikortikalen parallele Löcher.
- Schließlich kommen die Löcher mit einem Dritt benutzerdefinierte Seitenschneider Grat in einer proximal-distaler Richtung und bildet die Website für das Implantat (3B).
- Führen Sie eine biologisch abbaubare Faden durch den Knochendefekt mit der Kanüle und zurück um die äußere Oberschenkel Kortex.
- Führen Sie das Implantat über das freie Ende des Fadens und führen ihn in die Mangel, whier sollte es druck ausgestattet sein. Auf diese Weise sollte die lange Achse des Implantats senkrecht zur Längsachse des Oberschenkelknochens (3C) ausgerichtet werden.
- Binden Sie die Naht um den lateralen Seite des Oberschenkels zu Implantatstabilität während der postoperativen Erholung und frühen Stadien der Heilung bieten. Nutzen Sie die verbleibende Naht, um die Muskulatur zu schließen, und reoppose das Hautgewebe mit chirurgischen Klammern (9 mm Wundklammern).
- Überprüfen Operationsstellen auf Anzeichen einer Infektion, und Tiere täglich Monitor für ambulante eingeschränkter Fähigkeit. Schließen Sie die Tiere, die nicht vollständig erholen Sie Gehfähigkeit, oder solche, die Oberschenkelfrakturen an Opfer von der Analyse.
3. Beispiel Ernten
- Sacrifice Tiere 9 Tage nach der Operation durch Genickbruch nach dem CO 2-Belastung.
- Nach der Opfer, nehmen Oberschenkelknochen und sauber von Weichgewebe. Bewahren Sie sofort in 15% Saccharose-Pufferlösung, um Gewebe h haltenydration in Vorbereitung für die mechanische Prüfung (4A).
Hinweis: Die Proben werden in der Saccharose-Pufferlösung gespeichert werden, um Gewebehydration während des Transports zwischen den Einrichtungen zu erhalten. Die Proben werden ca. 2-3 Stunden in der Lösung während der Vorbereitung für die mechanische Prüfung zu verbringen. - Um Proben für mechanische Prüfungen vorbereiten, schneiden Sie die Knochen, die der Breite der Implantate unter Verwendung einer zylindrischen Diamantbohrer auf ein Hochgeschwindigkeitssystem befestigt. Die endgültigen Proben bestehen aus zwei Bögen des Knochens an jede Seite des Implantat (4B) angebracht ist. Für Bögen, die aus während der Herstellung oder Transport fallen, weisen eine mechanische Prüfung Wert 0 N.
Hinweis: Es ist wichtig, sehr sanft und präzise beim Trimmen der Proben, um schädliche oder Vorspannen der Schnittstelle zu vermeiden. Knochen reparative Kallus kann um die Längsachse des Implantats und auch in das Langloch wachsen. Dieser Überschuss muss durch Knochen Tri entfernt werdenmmierung Proben auf die exakten Abmessungen des rechteckigen Implantat, wie es die mechanische Prüfung Ergebnisse verzerren.
4. Mechanical Testing
Eine benutzerdefinierte abtrünnigen Form wurde auf jede Probe Topf ausgelegt, wodurch eine reproduzierbare und genaue Methode zur Vorbereitung von Proben für mechanische Prüfungen. Das Design erlaubt die Isolierung von einer 0,5 mm-Bereich von periimplantären Knochen für eine konsistente Testzone, während die Probe vollständig horizontal zentriert und hält während des Einbettungsprozesses, so dass für die Anwendung einer Kraft direkt senkrecht auf der Implantatoberfläche. Siehe Abbildung 5 für die komplette technische Zeichnungen und 6 für die letzten Komponenten.
Hinweis: Durchführung aller Untersuchungen unter Verwendung eines mechanischen Testvorrichtung mit einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 30 mm / min. Für eine qualitative Bewertung der Restknochen folgenden Tests kann ein Präpariermikroskop verwendet werden.
- Blumenerdeder Proben und Mechanische Prüfung
- Proben entfernen aus der Saccharose-Pufferlösung und sanft trocken tupfen.
- Position Probe in der benutzerdefinierten Form. Schieben des Stiftes horizontal durch Löcher in den Wänden der Form und durch das Loch in der Mitte des Implantats. Platzieren der Stabilisierungsplatte an der hinteren Seite der Form, um das Implantat (7) zu stabilisieren.
- Füllen Sie den Boden der Form mit fließfähige Zahnverbund und Heilung für 60 Sekunden mit hoher Intensität Lichtgerät.
Hinweis: Es ist wichtig, um eine zusammengesetzte, die nicht mit einer exothermen Reaktion gesetzt hat zu wählen, als solche Wärme erzeugt wird, kann die Gewebeeigenschaften zu beeinflussen. - Nach dem Aushärten die Form öffnen und entfernen Sie die Probe und gehärtet. Zeichnen Sie eine dünne schwarze Linie in Permanentmarker auf der seitlichen Bogen zu Identifikationszwecken.
- Fix eine vorgefertigte Replik des Prüflings in einem Schraubstock, und zentrieren Sie das Gerät auf der Basis des mechanischen Testinstrument.
- Sichern Sie die Probe in Laster und übergeben Sie einen Nylonfaden durch das Loch im Implantat (Abbildung 8). Bringen Sie die losen Enden auf der Mitte der Fahrtraverse. Für Konsistenz, stets Kennzeichnung und testen Sie die erste Querseite. Wiederholen Sie den Vorgang mit der medialen arch.
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Representative Results
Alle Tiere haben ihre ambulante Tätigkeit mit der Zeit nach ihrer Erholung von der Operation. Dies ist wichtig, weil Last hat unterschiedliche Auswirkungen auf Topographien von unterschiedlichen Skalenbereichen, wie wir vor kurzem berichtet 12. Eine repräsentative Kraft / Weg Kurve für Prüflinge folgenden mechanischen Tests in 9A vorgestellt und die gemittelten Daten für jedes Implantat-Oberfläche wird in 9B präsentiert. Die von jeder Probe erreicht maximale Kraftwert wurde aufgezeichnet und Gruppenwerte gemittelt zum Vergleich (n = 28 pro Gruppe). Die GB-DCD Oberfläche mit Submikron topographische Merkmale auf der zugrunde liegenden microtopographically komplexe Oberfläche überlagert, hatten signifikant höhere Kraftwerte Störung als die unmodifizierte GB Mikro-Oberfläche (p <0,0001) (Abbildung 9B).
Nach der mechanischen Tests konnte beobachtet werden, dass 92% der Proben innerhalb der Ziel gebrochened periimplantären Bereich (Abbildung 10).
Fig. 1 ist. Kundenspezifische rechteckigen Implantate. Die Ober-und Unterseite sind die wichtigsten Standorte für Wachstum und Apposition. Abmessungen: 4 mm x 2,5 mm x 1,3 mm (Länge x Breite x Höhe) und Lochdurchmesser 0,7 mm.
2. Feldemissions-REM-Aufnahmen der eingesetzten Implantatoberflächen. Unterschiede in der Topographie sind schwierig bei 10.000-facher Vergrößerung (oben) zu sehen, aber bei 100.000 X (unten) sehr deutlich. (A, C): GB und (B, D): GB-DCD Proben.
3. (A) Nach dem Freilegen der Oberschenkelknochen mit stumpf und Entfernen der Knochenhaut, (B) ein bikortikalen Schlitz wurde mit einem 3-Stufen-Bohr-Verfahren erstellt, und (C) wurde das Implantat an Ort und Stelle eingepresst und mit einem biologisch abbaubaren Naht unterstützt.
4. (A) Femora wurden von getöteten Tieren geerntet. Die rechteckige Implantat im distalen Femur sichtbar. (B) Schlußtestprobe mit sowohl einem medialen und einem lateralen Bogen auf jeder Seite des Implantats.
Abbildung 5. Technische Zeichnungen für benutzerdefinierte abtrünnigen Form, um Topf mechanische Prüfung Proben verwendet. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.
Abbildung 6. Benutzerdefinierte abtrünnigen Formenbau für die mechanische Prüfung.
Abbildung 7. Speci Menschen vergossen in benutzerdefinierten Form.
Abbildung 8. Probe vor der mechanischen Prüfung der mechanischen Prüfgerät zentriert.
Abbildung 9. (A) Repräsentative Kraft / Dehnungskurve nach der mechanischen Prüfung erzeugt. (B) Durchschnittliche Unterbrechung Kraftwerte (N) bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 30 mm / min aufgenommen 9 Tage Euthanasie Zeitpunkt (n = 28 Proben pro Gruppe). (*) = Statistische Signifikanz.
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Abbildung 10. Bruchmuster der kortikalen Bögen um die Implantate folgenden mechanischen Tests.
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Discussion
Die mechanische Prüfung hier präsentierten Modell liefert ein verbessertes Verfahren, um die Verankerung der Knochenkandidatenimplantatoberflächen zu bewerten, da es eine genaue senkrechte oder parallele Ausrichtung der Testprobe mit der Achse aufgetragen Störung Kraft und begrenzt die Bruchzone zu innerhalb von einem halben Millimeter von der Implantatoberfläche. Das Modell ist leicht in Studien zum Vergleich der Wirksamkeit einer Reihe von chemisch oder mechanisch modifizierten Oberflächen eingearbeitet, aber nicht geeignet für glatte Oberflächen, da diese leicht vom Knochen während der Probenmanipulation abgelöst. Die Implantate können aus einer breiten Palette von Biomaterialien hergestellt werden. Die Daten können leicht gesammelt und vorgesehen mechanische Prüfvorrichtung ordnungsgemäß kalibriert minimale Filterung erfordern. Unterschiedliche Zeitpläne verwendet werden, um mechanische Leistung in verschiedenen Stadien der Heilung zu beurteilen. Weiterhin kann das Modell leicht in Tiermodellen von menschlichen Krankheiten eingesetzt werden, die Verdomise Knochenheilung, einschließlich zum Beispiel Diabetes, Bestrahlung, und Autoimmunerkrankungen.
Das Modell wurde für die männlichen Wistar-Ratten wurde entwickelt, obwohl auch andere Stämme können problemlos eingesetzt werden. Die Skelettstruktur von Ratten, insbesondere die Oberschenkelknochen, während klein ist, ist in der Lage, normale ambulante Lasten nach Erhalt der benutzerdefinierten Implantats sind, und ihre postoperative Erholung ist schnell. Aufgrund der einfachen Geometrien verwendet, das Design ist einfach zu skalieren für größere Tiermodelle. Während es möglich ist, eine ähnliche Operation in Mäusen führen, die Femora deutlich kleiner, was die Verwendung von kleineren Implantaten erfordert auch die Herausforderungen bei der Handhabung der Unterbrechung Test.
Wie wir bereits früher verwendet eine einfachere Version dieses Modells in Studien zur biologischen Mechanismen während der frühen Heilungspunkte auftreten fokussiert und haben eine 9 Tage postoperativen Zeit-Punkt beschäftigt, haben wir die gleiche Zeit-Punkt hier. Dies jedoch timE Zeit kann je nach Studiendesign zu ändern, und mehreren Zeitpunkten kann das Fortschreiten der Verankerung Phänomen mit der Zeit in vivo zeigen.
Bei der Entwicklung des Modells wurden viele schnell härtende Epoxidharze und Zement untersucht, von denen viele unpassend waren auf exotherme Reaktionen, übermäßiger Expansion "Wicking" der nicht ausgehärteten Lösung durch den trabekulären Knochen und sehr variable Belichtungszeiten. Das fließfähige Zahnverbund gewählt hat minimale Ausdehnung (ca. 2%), härtet schnell unter dem Lichtgerät wird und eine minimale Feuchtigkeitstransport. Darüber hinaus weist die Verbund keine exotherme Eigenschaften. Dieses Material kann anstelle von verfügbaren Materialien geändert werden, aber es ist von entscheidender Bedeutung, um gründlich zu testen das Einbettungsmittel vor dem Beginn des Projekts.
Diese Methode liefert wertvolle vergleichende biomechanische Daten als Funktion der Kandidat Implantatoberfläche Design. Der Hauptvorteil dieser imgeprüftes Verfahren ist die Begrenzung der Störung (Bruch)-Ebene auf den ersten 0,5 mm von der Implantatoberfläche, wo die reparative Knochen gebildet. Es unterscheidet sich von anderen Verfahren, bei denen die Fraktur nicht periimplantären Zone begrenzt. Somit präsentiert die, wie oben erläutert Verfahren, genau Isolate eine definierte periimplantäres Region - eine Region, die in allen Proben konsistent ist - aber auch die Ausrichtung der Probe, so dass die ausgeübte Kraft genau senkrecht zu der Implantatoberfläche, sodass keine Verzerrung durch zum Versatz. Dies ist besonders wichtig, wenn man die Reifung der periimplantären Knochen mit der Zeit zu überwachen möchte. Es sollte jedoch betont werden, dass der Test nicht liefern biomechanischen Daten der echten Knochen / Implantat-Grenzfläche selbst, da es auf der Oberfläche verbleibt nach dem Test erhebliche Knochen.
Bisher haben wir eine einfachere Version dieser Methode verwendet, um die Fähigkeit der Oberflächentopographie zu definieren Titanba renderTausends Flächen Knochenbrücken 14, als auch in neueren Arbeiten, die biologische Relevanz der unterschiedlichen Qualitäten von topographischen Komplexität als Funktion der Zeit der Heilung 12 abzugrenzen. Während die einfache Test ist schneller als die hier dargestellten und erfordert keine kundenspezifischen Topfvorrichtung gibt es erhebliche Abweichungen in der Lage der Bruchebene. Zusätzlich erlaubt das Verfahren auch eine sich vorzustellen Drehen des Prüflings 90 Grad, so dass das Implantat senkrecht auf der mechanischen Testgerät ausgerichtet ist. In dieser Konfiguration ist es möglich, Schertests mit dem gleichen Versuchsaufbau durchzuführen - ein Ansatz, mit anderen Methoden möglich.
Dennoch gibt es einige praktische Nachteile, Beschränkungen darstellen. Da die Proben klein sind, kann es zeitaufwendig, um die Probe in geeigneter Weise in der Form während des Vergießen relativ zu anderen Methoden auszurichten. Außerdem, wenn die Probe eingegossen wird, kann esschwierig zu bestätigen, mit dem bloßen Auge, die genaue periimplantären Region, daher kann es sinnvoll sein, eine Lupe oder Juwelier Schleife verwenden, um den periimplantären Region genauer zu visualisieren. Schließlich muß das Verfahren in einer Weise, die Dochtwirkung des fließfähigen Verbund durch den freiliegenden reparative Trabekel bei peri-Implantationsbereich vermeidet erfolgen. Schließlich haben wir ein 1.000 N Lastzelle, da dies die Ausrüstung, die wir zur Verfügung haben, aber ein kleiner Lastzelle, in der 50 bis 100 N-Bereich, würden mehr für zukünftige Tests geeignet sein, so dass für eine höhere Auflösung und Genauigkeit in der Testdaten.
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Disclosures
Die Autoren erhielt Mittel und Materialien Unterstützung von Biomet 3i (Palm Beach Gardens, FL, USA). Biomet 3i hatte keinen Anteil an der Arbeit an diesem Manuskript oder die Gestaltung der beschriebenen Experimente.
Acknowledgments
Die Autoren möchten an Biomet 3i für ihre weitere finanzielle Unterstützung danken und besonders Randy Goodman für die Hilfe bei der Gestaltung und Fertigung der kundenspezifischen Teilen. Spencer Bell ist ein Empfänger einer Postgraduate-Stipendium Industrie, von den National Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) zur Verfügung gestellt. Wir möchten auch Dr. John Brunski für seine sehr wertvolles Feedback während Manuskripts danken.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | |
| 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 |
References
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