조정 강성, 쥐 대퇴골 절골술 부위 별 뼈 결함 모델에 대한 외고정
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
이 골절 치유 할 방법을 결정 깨진 뼈의 치유 주변의 기계적 환경은 매우 중요합니다. 지난 10 년간 병변 주위의 고정 안정성을 통해 기계적인 환경을 변경하여 뼈의 치유 개선에 큰 임상 적 관심이되고있다. 이 영역의 전임상 동물 연구 한 제약 실험 큰 분절 결함 내의 로컬 기계 환경을 제어뿐만 아니라 그들이 치유로 절골술의 부족이다. 본 논문에서 우리는 큰 분절 골 결손이나 절골술의 치유를 연구 설계 및 외고정 장치의 사용을보고합니다. 이 치유로이 장치는 뼈 병변에 제어 된 축 방향 강성을 허용 할뿐만 아니라 생체 내에서 치료 과정 동안 강성의 변화를 가능하게한다. 실시한 실험 클램프가 5mm 대퇴 결함 갭을 유지할 수 있었던 것으로 나타났다 무제한 케이지 동안 생체 내에서 쥐최소 8 주 동안 활동. 마찬가지로, 우리는 전체 치료 기간 동안의 핀을 포함하여 어떠한 왜곡 감염 또는 감염, 관찰되지 않는다. 이러한 결과는 새로 개발 외고정 재현 표준화 안정화를 달성 할 수 있었고, 생체 내 쥐 큰 골 결손 및 다양한 크기의 절골술 기계적 환경의 변경을 입증. 이것은 외부 고정 장치가 골 재생 및 수리 필드 쥐 모델을 사용 전임상 연구 조사에 적합임을 확인한다.
Introduction
다수의 연구는 뼈 조직의 수리 1-6에 포함 된 생물학적 메커니즘에 대한 우리의 이해를 향상되었습니다. 같은 축, 전단 및 interfragmentary 운동 (IFM은)와 같은 뼈 수리에 기계적 조건의 영향은 광범위 7-15 연구되고있다. 지난 몇 년 동안, 더 많은 연구가 생체 내 모델에서 골절, 절골술 및 대형 분절성 골 결손을 사용하여 뼈의 치유에 기계적 환경의 영향을 설명 나타나기 시작했다. 따라서, 안정적인 고정 방법은 재현성 및 신뢰성있는 연구 결과를 얻기 위해 필요합니다.
이 골절 치유 할 방법을 결정으로 치유 골절 주변에 기계적 환경은 매우 중요하다. 따라서, 정착 장치의 선택은 매우 중요하고 신중하게 연구 설계에 따라 선택되어야하며, 그러한 갭 크기 및 골절의 유형과 같은 다른 인자. 정착 장치의 기계적 특성더 중요한 재 담 전체 중량의 실험 기간 내내 일정한 간격 크기뿐만 아니라, 치유 뼈 이상적인 기계적 환경까지도 제공 고정을 확립 큰 골 결손의 뼈 치유 공부 때. 그들은 다른 정착 장치보다 이점을 가지고 있기 때문에 외부 클램프는 일반적으로 골절 큰 골 결손 치료 실험 모델에서 사용된다. 외부 클램프의 주요 장점은 같은 실험 과정에서 소자의 안정성 바를 변경 또는 조정에 의해 달성 될 수있는 이차 간섭없이 생체 내에서의 결함 부위에서 기계적 환경의 변화를 허용한다는 것이다 뼈 치유가 진행됩니다. 또한, 뼈의 복구를 강화하기 위해 특정 로컬 기계적 자극의 적용을 허용하고, 또한 생체 내에서 캘러스 조직의 강성을 측정하기위한 잠재 성을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 장치는 또한 몇 가지 단점을 가지고그것은 다음과 같습니다 : 연부 조직 감염 및 핀 파손의 자극을.
불행하게도, 이러한 임플란트는 임플란트 개발시 "기성품"사용할 수없는 있었고, 연구자가 의도 된 사용을 위해 자신의 클램프를 설계 사용자 정의로 시작해야했습니다. 그것은 치유 따라서,이 분야에서 연구 한 제한 조건은 큰 분절 결손 내 로컬 기계 환경에 대한 실험 통제의 부족뿐만 아니라 절골술이었다. 외고정의 기계적 특성에 의해 정의되며,에 의해 변조 될 수있다, 등 많은 변수 : 핀, 핀 지름, 핀 재료 사이의 거리, 핀 고정 장치 바 길이, 경추 고정 바 번호의 숫자 경추 고정 바 물질 고정 장치 바 두께 및 경추 고정 바 (오프셋)로 골 표면으로부터의 거리. 놀랍게도, 연구 단지 paucity는 개별 구성 요소의 기계적인 기여를 조사했다고 볼 수 있습니다설치류 연구 16,18,28에 사용되는 클램프 또는 전체 프레임 구성. 예를 들어, 한 연구의 결과는 고정 구조체의 전체 강성을 결정하는 주요 기여 요인 중 하나는 그들의 오프셋 직경과 재료 특성 (28)과 관련하여 핀의 유연성에 의해 지배 된 것으로 나타났다. 전술 한 연구 결과는 명확하게 정착 장치에 의해 제공된 기계 환경을 아는 것이 매우 중요하고, 또 많은 경우에 상세하게 조사되지 않는 것을 시사한다. 본 논문은이 문제를 해결하는 외고정 장치의 디자인, 사양 및 생체 내 주입을보고합니다. 이 고정 장치는 치유가 진행됨에 따라 기계적 환경, 생체 치유 과정의 다른 단계의 메카 감도의 연구를 가능하게하는 특성의 조절을 허용한다. 또한, 물론 부과 제어되는 재생 로컬 정비사알 환경, 접근성 또한 뼈 치유의 다른 단계에서이 환경의 조절이 가능합니다.
우리가 설계 한 고정 장치가 널리 실험 동물 22-27에서 골절, 16 ~ 21 큰 결함 모델에 사용되는 외부 고정에 기반했다. 우리 외고정 및 문헌에보고 된 다른 기존 설계의 차이는 안정성 바가 KIRSCHNER 선 (K-와이어)와 단단한 손잡이를 가질 나사로 고정되어있다. 이러한 유형의 디자인은 격주 조여야하는 나사가 필요 (때로는 주간) 로딩 안정성 바의 풀림을 방지하기 위해 베어링 중량 통해인가 될 때의 오프셋 거리가 유지되는 것을 확인한다. 이러한 풀림이 발생하는 경우, 같은 각도, 횡 방향 및 치유 뼈 비틀림 전단 운동과 같은 원치 않는 추가 하중 조건을 허용 (researche와 개인적인 경험, 의사 소통을 기반으로이것을 아는 RS)은., 외고정은 고정 장치의 강성이 변경되어야 할 때, 그것은 장착 핀 임베드되는 메인 모듈에 연결된 연결 요소를 제거함으로써 달성 될 것이라고 같은 설계되었다. 생체 파일럿 실험이 대량으로 제조되기 전에 제안 된 모든 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 새 외부 고정 장치의 프로토 타입을 수행 하였다.
본 연구의 주된 목적은 치유 과정 동안 생체 내에서의 강성을 변경하는 능력을 가진 쥐에서 큰 골 결손 및 절골술 사용 외고정위한 새로운 수술 방법을 제공하는 것이다. 이 정착 방법은 랫트의 대퇴골에 생체 내에서 적용된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
큰 골 결손을 생성하는 수술의 가장 중요한 단계는 다음과 같다 : 1) 생쥐의 체중 적절한 선택은 외고정의 크기와 일치하는 단계; 2) 절차를 수행하는 동안 무균 환경을 유지; 3) 수술 프로토콜을 다음.
본 연구의 주요 목표는 설계, 제조 및 쥐의 대퇴부 큰 결함 모델에 새로운 변수 강성 외고정의 특성과 치유 과정에서 생물학적, 기계적 요인 사이의 상호 작용을 결정하는이 고?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 AO 재단 (S-08-42G)와 RISystem AG에 의해 지원되었다.
우리는 매우 큰 확장하고 싶습니다 "감사를!" 우리가이 수술의 촬영을 위해 자신의 OR 기능을 사용할 수 있도록 너무 호의적 인을위한 AO 연구소 스위스 다 보스에서 스테판 Zeiter의 팀.
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) |
References
- 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).
