Justerbar Stelhet, extern fixeringsanordning för Rat lårben osteotomi och segment bendefekt Models
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 mekaniska miljön kring läkningen av brutna ben är mycket viktigt eftersom det avgör hur frakturen läker. Under det senaste årtiondet har det varit stort kliniskt intresse att förbättra benläkning genom att ändra den mekaniska miljön genom fixerings stabilitet runt lesionen. En begränsning av den prekliniska djur forskningen inom detta område är bristen på experimentell kontroll över den lokala mekaniska miljön i en stor segmentdefekt samt osteotomier som de läker. I denna uppsats rapporterar vi om utformning och användning av en extern fixeringsanordning för att studera läkning av stora segment bendefekter eller osteotomier. Den här enheten kan inte bara kontrollerad axiell styvhet med ben lesion som det läker, men det gör också förändringen av styvhet under läkningsprocessen in vivo. De utförda experiment har visat att fixators kunde upprätthålla en 5 mm lårbens defekt gap hos råttor in vivo under obegränsad burverksamheten under minst 8 veckor. Likaså observerade vi någon snedvridning eller infektioner, inklusive stift infektioner under hela läkningsperioden. Dessa resultat visar att vår nyutvecklade extern fixeringsanordning kunde uppnå reproducerbart och standardiserat stabilisering, och ändringen av den mekaniska miljön in vivo rått stora bendefekter och olika storlek osteotomier. Detta bekräftar att den yttre fixeringsanordningen är väl lämpad för preklinisk forskning undersökningar med hjälp av en råttmodell på området för benregenerering och reparation.
Introduction
Ett antal studier har förbättrat vår förståelse av de biologiska mekanismer som är involverade i benvävnad reparation 1-6. Effekterna av mekaniska förhållanden på benreparation såsom axiell, skjuvning och interfragmentary rörelser (IFMs) har studerats ingående 7-15. Under de senaste åren har fler och fler studier började växa fram som beskriver inverkan av mekanisk miljö på benläkning med hjälp av fraktur, osteotomi och stora segment bendefekt in vivo-modeller. Därför behövs tillförlitliga fixeringsmetoder för att få reproducerbara och tillförlitliga studieresultat.
Den mekaniska miljön runt läkande frakturer är mycket viktigt eftersom det avgör hur frakturen läker. Sålunda är valet av fixeringsanordningen mycket viktigt och bör noggrant väljas beroende på studiedesign, och andra faktorer, såsom gap storlek och typ av fraktur. Fixeringen enhetens mekaniska egenskaper enre ännu viktigare när man studerar den beniga läkning av stora bendefekter att etablera en fixering som ger inte bara ett konstant gapstorlek hela experimentet period full viktbelastning, men också en idealisk mekanisk miljö för läkningen ben. Externa fixeringar används ofta i frakturer och stora bendefekt experimentella helande modeller eftersom de har en fördel framför andra fixeringsanordningar. Den största fördelen med externa fixators är att de möjliggör byte av den mekaniska miljön på skadestället in vivo utan en sekundär intervention, vilket kan uppnås genom att förändra eller justera stabiliteten bar av enheten under försöket som benläkning skrider. Dessutom tillåter den att tillämpa särskilda lokala mekanisk stimulering för att öka reparation av ben, och ger dessutom möjligheten att mäta styvheten kallusvävnad in vivo. Ändå enheterna har också några nackdelarsom inkluderar: irritation i mjukvävnad, infektioner och pin brott.
Tyvärr, sådana implantat inte var tillgängliga "från hyllan" vid tidpunkten för implantatutvecklingen, och utredare tvingades skräddarsy sina egna fixeringar för viss användning. Därför en begränsning av forskning inom detta område var bristen på experimentell kontroll över den lokala mekaniska miljön i en stor segmentdefekt samt osteotomier som det läker. De mekaniska egenskaperna hos en extern fixeringsanordning definieras av, och kan moduleras av ett stort antal variabler som inkluderar: avståndet mellan stiften, pin diameter stift material, antalet stift, fixator svärdslängd, fixator bar nummer, fixator bar material, fixa bar tjocklek och avståndet från benytan till fixator bar (offset). Överraskande nog kunde endast en bristen på studier hittas som har undersökt de mekaniska bidragen av de individuella komponenternaav fixators eller hela frame konfigurationer som används i studier på gnagare 16,18,28. Till exempel visade en studiens resultat att en av de viktigaste bidragande faktorerna för den totala styvhet fixeringskonstruktionen dominerades av flexibiliteten av stiften i förhållande till deras offset, fastigheter 28 diameter och materiella. Resultaten från de ovan nämnda studier tyder tydligt att känna den mekaniska miljön från fixeringsanordningen är oerhört viktigt, och ändå, i många fall inte undersöks i detalj. Den nuvarande papperet rapporterar konstruktion, specifikationer och in vivo implantation av en extern fixeringsanordning som behandlar denna fråga. Denna fixeringsanordning möjliggör också för modulering av den mekaniska miljön som läkningen fortskrider, en egenskap som möjliggör studiet av mekaniska-känsligheten av olika stadier av läkningsprocessen in vivo. Dessutom, liksom införande av en kontrollerad och reproducerbar lokala mekanikeral miljön, tillgängligheten möjliggör också modulering av denna miljö i olika skeden av benläkning.
Den fixering vi utformat baserades på extern fixation, som ofta används för frakturfixering 16-21 och stora defekt modeller på försöksdjur 22-27. Skillnaden mellan vår yttre fixeringsanordning och andra befintliga konstruktioner som rapporterats i litteraturen är att deras stabilitet bar är fäst med skruvar för att få ett fast grepp med Kirschnertrådar (K-tråd). Denna typ av design kräver skruvar efterdras varannan vecka (ibland varje vecka) för att se till att avståndet förskjutningen bibehålls eftersom belastningen påförs genom viktbärande att förhindra uppluckring av stabilitetsfältet. Om en sådan lossning sker, gör det för oönskade ytterligare belastningsförhållanden såsom kantig, tvärgående och vrid skjuvrörelser till helande benet (baserat på personliga erfarenheter, kommunikation med researchers). Att veta detta, har en extern fixeringsanordning utformad som så att när styvhet fixator behöver ändras, det skulle kunna uppnås genom att ta bort anslutningselement kopplade till huvudmodulen där monteringsstiften är inbäddade. In vivo pilotprojekt genomfördes med den nya yttre fixa prototyp för att se till att den uppfyller alla föreslagna krav innan den tillverkas i större kvantiteter.
Huvudsyftet för denna uppsats är att presentera en ny kirurgisk metod för en extern fixeringsanordning som används för stora bendefekter och osteotomier i råtta med möjlighet att ändra styvhet in vivo under läkningsprocessen. Denna fixering metod tillämpas in vivo på lårbenen hos råttor.
Protocol
Representative Results
Discussion
De mest kritiska stegen i ett kirurgiskt ingrepp för att skapa en stor bendefekt är: 1) val av lämplig kroppsvikt råttan att matcha storleken på den externa fixator; 2) att upprätthålla en steril miljö under förfarandet; och 3) efter det kirurgiska förfarandet protokoll.
De viktigaste målen för denna studie var att konstruera, tillverka och karakterisera ett nytt, variabel styvhet extern fixeringsanordning för råttan lårbens stor defekt modell, och att använda denna fixering …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av AO stiftelsen (S-08-42G) och RISystem AG.
Vi vill rikta ett mycket stort "tack!" till Stephan Zeiter team vid AO Forskningsinstitut Davos, Schweiz för att vara så tillmötesgående i vilket tillåter oss att använda sina ELLER anläggningar för inspelningen av detta kirurgiska ingrepp.
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).
