Justerbar Stivhet, Ekstern Fixator for Rat Femur osteotomi og Segment bendefekten modeller

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

Den mekaniske miljøet rundt helbredelse av ødelagte bein er svært viktig fordi det avgjør hvordan bruddet vil gro. Gjennom det siste tiåret har det vært stor klinisk interesse i å forbedre bein healing ved å endre den mekaniske miljø gjennom fiksering stabilitet rundt lesjonen. En begrensning av preklinisk dyr forskning på dette området er mangelen på eksperimentell kontroll over lokal mekanisk miljø innenfor en stor segmental defekt samt osteotomier som de leges. I denne artikkelen rapporterer vi på design og bruk av en ekstern fixator å studere helbredelse av store segmental bein defekter eller osteotomier. Denne enheten ikke bare tillater kontrollert aksial stivhet på skjelettlesjon som det helbreder, men også gjør det mulig for endring av stivhet under helbredelsesprosessen in vivo. De gjennomførte forsøk har vist at de feste-midler var i stand til å opprettholde en 5 mm femorale defekter gap hos rotter in vivo under ubegrenset buraktivitet i minst 8 uker. Likeledes, observerte vi ingen forvrengning eller infeksjoner, inkludert pin infeksjoner under hele healing perioden. Disse resultater viser at vår nylig utviklet ytre feste-midler var i stand til å oppnå en reproduserbar og standardisert stabilisering, og den endring av den mekaniske miljø av in vivo rotte stort bendefekter og diverse størrelse osteotomier. Dette bekrefter at den utvendige fikseringsanordning er godt egnet for forsknings prekliniske undersøkelser ved hjelp av en rottemodell på området benregenerering og reparasjon.

Introduction

En rekke studier har forbedret vår forståelse av de biologiske mekanismene som er involvert i benvev reparasjon ^1-6. Effektene av mekaniske forhold på bein reparasjon som aksial, skjær og interfragmentary bevegelser (IFM) har blitt studert ^7-15. I de siste årene, begynte flere og flere studier for å fremstå som beskriver påvirkning av mekaniske miljø på bein healing ved hjelp av brudd, osteotomi og store segmental bendefekten in vivo-modeller. Derfor er pålitelige fiksering nødvendig for å få reproduserbare og pålitelige utfall av studiene.

Den mekaniske miljøet rundt healing brudd er svært viktig fordi det avgjør hvordan bruddet vil gro. Således er valget av festeanordningen meget viktig og bør velges med omhu, avhengig av studiedesign, og andre faktorer som for eksempel gap størrelse og type brudd. Fiksering enhetens mekaniske egenskaper enre enda viktigere når man studerer bony helbredelse av store bendefekter å etablere en fiksering som ikke bare gir et konstant gap størrelse gjennom hele forsøket periode på totalvekt bærende, men også et ideelt miljø for mekanisk helbredelses benet. Eksterne fixators blir ofte brukt i brudd og store bein defekt eksperimentelle helbredende modeller fordi de har en fordel fremfor andre fikseringsanordninger. Den største fordelen med utvendige feste-midler er at de gir mulighet for endring av den mekaniske miljøet på det defekte område in vivo uten en sekundær inngrep, noe som kan oppnås ved å endre eller justere stabiliteten linjen av innretningen i løpet av forsøket som bein healing utvikler seg. Videre tillater den anvendelsen av spesifikk lokal mekanisk stimulering for å forbedre reparasjon av ben, og gir også mulighet for å måle stivheten av callus vev in vivo. Likevel enhetene har også noen ulempersom inkluderer: irritasjon av bløtvev, infeksjoner og pin brekkasje.

Dessverre var slike implantater ikke tilgjengelig "hyllevare" på den tiden av implantatet utvikling, og etterforskere ble tvunget til å spesialtilpasse sine egne fixators er til sitt formål. Derfor er en begrensning av forskningen på dette området var mangel på eksperimentell kontroll over lokal mekanisk miljø innenfor et stort segmental defekt samt osteotomier som det gror. De mekaniske egenskapene til et eksternt feste-midler er definert av, og kan bli modulert av et stort antall variable som inkluderer: avstanden mellom pinnene, pin diameter, fint materiale, antall pinner, fixator bar lengde, fixator bar nummer, fixator bar materiale, fixator bar tykkelse og avstanden fra benet overflate til fixator bar (offset). Overraskende, kunne bare en mangelen av studier bli funnet som har undersøkt de mekaniske bidragene fra de enkelte komponenteneav feste-midler eller hele ramme konfigurasjoner som brukes i gnagere ^16,18,28. For eksempel, en undersøkelsens resultater viste at en av de viktigste faktorene for å bestemme den totale stivheten til fiksering-konstruksjonen ble dominert av fleksibiliteten av pinnene i forhold til deres forskyvnings, diameter og materialegenskaper ^28. Resultatene fra de ovenfor nevnte studier antyder klart at det å vite den mekaniske miljø tilbys av festeanordningen er svært viktig, og likevel i mange tilfeller ikke er undersøkt i detalj. Denne artikkelen rapporterer design, spesifikasjoner, og in vivo implantasjon av en ekstern fixator som løser dette problemet. Denne feste-midler tillater også for modulering av den mekaniske miljø som helbredende skrider frem, en egenskap som gjør det mulig å studere den mekano-følsomheten av forskjellige stadier av helbredelsesprosessen in vivo. Dessuten, i tillegg til å pålegge en kontrollert og reproduserbar lokale mekanikeral miljø, gjør dens tilgjengelighet også for modulering av dette miljøet på ulike stadier av bentilheling.

Fixator vi utviklet var basert på ekstern fiksering, som er mye brukt for frakturfesteimplantat ^16-21 og store defekt modeller i forsøksdyr ^22-27. Forskjellen mellom vårt ytre fixator og de andre eksisterende design rapportert i litteraturen er at deres stabilitet bar er sikret med skruer for å ha et fast grep med Kirschner ledninger (K-ledninger). Denne type design krever skruer som skal etterstrammes annenhver uke (noen ganger også ukentlig) for å sørge for at avstanden til offset er opprettholdt som lasting påføres gjennom vektbærende å hindre løsning av stabilitet bar. Dersom en slik løsning oppstår, gjør det for uønskede ekstra belastningsforhold som kantete, tverrgående og vridningsskjærbevegelser til healing bein (basert på personlig erfaring, kommunikasjon med researchers). vite dette, ble en ekstern fixator utformet slik at når stivheten på fixator må endres, vil det oppnås ved å fjerne tilkoblingselementer knyttet til hovedmodulen der festepinnene er integrert. In vivo pilotforsøk ble utført med den nye eksterne fixator prototype å sørge for at den oppfyller alle foreslåtte krav før den er produsert i større mengder.

Hovedformålet for dette papir er å legge fram en ny kirurgisk metode for et eksternt feste-midler som brukes for store bendefekter og osteotomier hos rotte med muligheten for å endre stivhet in vivo under helingspro-sessen. Denne fikseringsmetode anvendes in vivo på lårben fra rotter.

Protocol

Dyr omsorg og eksperimentelle protokollene ble fulgt i henhold til NIH retningslinjer og godkjent av Beth Israel Deaconess Medical Center Institutional Animal Care og bruk komité, Boston, MA. (Protokoll Antall: 098-2009) 1. Utarbeidelse av kirurgiske materialer og instrumenter Steriliser alle kirurgiske materialer og instrumenter som brukes til å utføre kirurgi før bruk. Pakk nødvendige materialer, med eller uten et instrument brett, inni et brettet klut eller innpakket i pap…

Representative Results

Designmessige spesifikasjoner Stabilisering av rotte femur med den eksterne fikseringssystem som muliggjør etablering av osteotomier 0,5 til 5 mm. Den eksterne fixator system er en låst ekstern fixator laget av polyeter eter keton (PEEK – [hoveddelen]) og titan-aluminium-niob legering (TAN – [festepinnene]), som tilbyr en enkel, reproduserbar og justerbar design, og er tilgjengelig i fire forskjellige stiffnesses: 10, 40, 70 og 100% (100% som standard, mest ubøyelige fixator (figur 7…

Discussion

De mest kritiske trinn i en kirurgisk prosedyre for å skape en stor bendefekt er: 1) å velge den riktige kroppsvekt til rotten til å samsvare med størrelsen av det ytre feste-midler; 2) å opprettholde et sterilt miljø i løpet av fremgangsmåten; og 3) etter den kirurgiske prosedyren protokollen.

De viktigste målene for denne studien var å designe, produsere og karakterisere en ny, variabel stivhet ekstern fixator for rotte femoral store feil modell, og å bruke denne fixator bestemm…

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)