In-situ-Druckbelastung und Correlative Nichtinvasive Bildgebung des Knochen parodontalen Ligament-Zahn-Faser-Joint

Zusammenfassung

In dieser Studie wird die Verwendung eines in situ-Ladevorrichtung in Verbindung mit Mikro-Röntgenstrahl-Computertomographie zur gemeinsamen Faser Biomechanik diskutiert. Experimentelle Anzeigen erkennbar mit einer Gesamtänderung der Gelenkbiomechanik gehören: 1) reaktionäre Kraft-Verschiebung, dh Zahnbewegung innerhalb der Alveole und ihre reaktionäre Antwort auf Laden, 2) drei-dimensionale (3D) räumliche Konfiguration und Morphometrie, dh geometrische Verhältnis der Zahn mit der Alveole und 3) Veränderungen der Auslesungen 1 und 2 aufgrund einer Änderung in Lastachse, dh konzentrische oder exzentrische Belastung.

Zusammenfassung

Diese Studie zeigt eine neuartige Biomechanik Testprotokoll. Der Vorteil dieses Protokolls umfaßt die Verwendung eines in situ-Ladevorrichtung, um eine hochauflösende Röntgenmikroskops gekoppelt ist, wodurch die Visualisierung interner Strukturelemente unter simulierten physiologischen Belastungen und Nässe. Experimentelle Proben gehören intakte Knochen Desmodont (PDL)-Zahn-Faser Gelenke. 1) reaktionäre Kraft-Verschiebung: Zahnverschiebung innerhalb der Alveole und ihre reaktionäre Antwort auf Laden, 2) drei-dimensionale (3D) räumliche Konfiguration Ergebnisse werden drei wichtige Merkmale des Protokolls, wie sie können, um Organebene Biomechanik angewendet werden, veranschaulichen und Morphometrie: geometrische Beziehung des Zahns mit der Alveole und 3) Veränderungen der Auslesungen 1 und 2 aufgrund einer Änderung der Ladeachse, also von konzentrisch zur exzentrischen Belastungen. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Protokoll wird durch die Kopplung mechanischer te ausgewertet werdenStachel Anzeige in die 3D-Morphometrie und die allgemeine Biomechanik des Gelenks. Darüber hinaus wird diese Technik auf die Notwendigkeit der Versuchsbedingungen äquilibrieren speziell reaktionären Lasten vor Erwerb Tomogramme von Faserverbindungen hervorzuheben. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorgeschlagene Protokoll beschränkt sich auf die Prüfung Proben unter ex-vivo-Bedingungen, und dass die Verwendung von Kontrastmitteln Weichgewebe mechanische Antwort visualisieren könnte zu falschen Schlüssen über die Gewebe-und Organebene Biomechanik führen werden.

Einleitung

Mehrere experimentelle Methoden weiterhin verwendet werden, um die Biomechanik des diarthrodialen und Faserverbindungen zu untersuchen. Spezifisch für die Zahnorgan Biomechanik Verfahren umfassen die Verwendung von Dehnungsmessstreifen ^1-3, Spannungsoptik Verfahren ^{4, 5,} Moiré-Interferometrie ^{6, 7,} elektronischen Specklemuster-Interferometrie ⁸ und digitale Bildkorrelation (DIC) ^9-14. In dieser Studie beinhaltet das innovative Konzept nichtinvasiven Bildgebung mit Röntgenstrahlen, um die inneren Strukturen eines Fasergelenk freizulegen (mineralisierten Geweben und deren Schnittstellen aus weicheren Zonen und Schnittstellen Gewebe wie Bänder) bei Belastung entspricht in vivo-Bedingungen. Ein in situ-Ladevorrichtung mit einem Mikroröntgenmikroskops gekoppelt verwendet. Die Last-Zeit-und Kraft-Verschiebungskurven wird als Mol-Interesse in einem frisch geernteten Ratte Hemi-Unterkiefer geladen gesammelt werden. Die main Ziel der Ansatz in dieser Studie präsentiert wird, um die Wirkung von dreidimensionalen Morphologie der Zahn-Knochen durch den Vergleich Bedingungen bei betonen: 1) Leerlauf und unter Last, und wenn 2) konzentrisch und exzentrisch geladen. Wodurch die Notwendigkeit für Schnitt Proben und Experimente auf ganze Organe intakt unter feuchten Bedingungen durchführen wird für maximale Erhaltung der 3D-Spannungszustand zu ermöglichen. Es öffnet sich ein neues Gebiet der Untersuchung dynamischer Prozesse im Verständnis des Komplexes unter verschiedenen Belastungsszenarien.

In dieser Studie wurden die Methoden zur Prüfung PDL Biomechanik innerhalb einer intakten Fasergelenk einer Sprague Dawley-Ratte, wird ein Joint als optimale Biotechnik als Modellsystem beschrieben werden. Die Experimente werden in der Reihenfolge auf drei wichtige Merkmale des gemeinsamen markieren, wie sie Organebene beziehen, umfassen Biomechanik-Simulation des Kauens Lasten unter hydratisierten Bedingungen. Die drei Punkte sind: 1) reaktionäre Kraft-Verschiebung:Zahnbewegung innerhalb der Alveole und reaktionären Reaktion auf Belastung, 2) dreidimensionale (3D-) räumlichen Konfiguration und Morphometrie: geometrische Beziehung des Zahns mit der Alveole und 3) Veränderungen der Auslesungen 1 und 2 aufgrund einer Änderung in Ladeachse, also von konzentrischen exzentrischen Lasten. Die drei grundlegenden Auslesungen der vorgeschlagenen Technik kann angewendet werden, um die adaptive Natur der Gelenke bei Wirbeltieren entweder aufgrund von Veränderungen in der funktionellen Anforderungen und / oder Krankheiten zu untersuchen. Veränderung der zuvor genannten Anzeigen, insbesondere die Korrelation zwischen reaktionären Lasten mit Verschiebung, und die daraus resultierenden reaktionären Last-Zeit-und Kraft-Verschiebungskurven bei verschiedenen Belastungsraten können angewendet werden, um Veränderungen in der Gesamt Joint Biomechanik markieren. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Protokoll wird durch die Kopplung der mechanischen Prüfung Anzeige in die 3D-Morphometrie und die allgemeine Biomechanik des Gelenks ausgewertet werden.

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Protokoll

Tier Gehäuse und Euthanasie: Alle Tiere in dieser Demonstration verwendet wurden unter keimfreien Bedingungen in Übereinstimmung mit den Richtlinien der Institutional Animal Care und Verwenden Committee (IACUC) und dem National Institute of Health (NIH) untergebracht.

Geben Tiere mit Standard-Fest-Pellet Rattenfutter und Wasser ad lib. Euthanize Tiere über eine Zwei-Schritt-Verfahren zur Erstickung mit Kohlendioxid, bilaterale Thorakotomie gemäß dem Standardprotokoll von UCSF durch IACUC genehmigt. Führen biomechanischen Tests innerhalb von 24 Stunden Tieropfer zu Gewebeabbau zu vermeiden.

1. Vorbereitung und Präparation der Ratte eine Unterkiefer-oder Oberkiefer

1. Entfernen Ratte Mandibeln durch vorsichtiges Abtrennen häutigen Gewebe und Muskelgewebe Anhänge und gleichzeitig die gesamte Unterkiefer, einschließlich des Processus coronoideus und dem Gelenkfort (Abbildung 1) ^15.
2. Separate hemimandibles mit dem Autoefully Schneiden des Fasergewebe der Symphyse mit einem Skalpell.
   Hinweis: Die Koronar-und Gelenkfort und Ramus des Unterkiefers (1) zu entfernen, wenn sie physisch behindern biomechanischen Tests der ^2. molaren werden.
3. Schneiden Sie die Schneidezähne, ohne dass die Zellstoffkammer nicht zu Belastung der Molaren zu behindern.

2. Probenpräparation für die in-situ Druckbelastung (Abbildung 2)

1. Immobilisierung der Probe auf einem Stahlstichleitung durch Verwendung eines Materials, das wesentlich steifer als die experimentelle Probe vor dem Laden in ein in situ Ladevorrichtung (2A).
   Hinweis: Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet, um die Probe in dieser Studie und überschüssiges immobilisieren, falls vorhanden, wurde unter Verwendung eines zahnärztlichen Sonde entfernt.
2. Richten Sie die Kaufläche der Molaren (e) von Interesse parallel mit der AFM-Metall-Objektplatte mit einer geraden Kante in beidenEbenen (dh mesial-distal und bukkal-lingual).
3. Erstellen Sie ein Trog mit einem stumpfen Instrument rund um die Backenzähne.
   Hinweis: Dieser Raum sollte als "Burggraben" um überschüssige Flüssigkeit zu enthalten und zu pflegen Gewebehydration während der in-situ-Lade dienen.
4. Bereiten Sie die Zahnoberfläche zum Aufbau für konzentrische (2B) oder exzentrisch (2C) Befüllung mit einem Dental-Komposit. Ätzen der Oberfläche des Zahns von Interesse mit 35% iger Phosphorsäure-Gel auf Kaufläche für 15 sek.
5. Mit VE-Wasser spülen Ätzmittel gründlich und trocknen Sie die Oberfläche mit einer Luft / Wasser-Spritze oder einen Druckluftbehälter. Mit einem Explorer, verbreiten einen Tropfen des Bindemittels in offene Höcker in einer dünnen Schicht. Heilung der Verbund mit einer Zahn fixieren.
   Hinweis: Alle Schritte mit Verbundwerkstoffe sollten ohne direkte Licht einer Lampe durchgeführt werden. Solche Bedingungen würden unerwünscht beschleunigen die Polymerisation und could verhindern eine ordnungsgemäße Platzierung der Verbund. Raumbeleuchtung ist akzeptabel.
6. Überschüssiges Bindemittel von benachbarten Zähnen mit einem feinen Skalpell oder einer Rasierklinge.
7. Zeigen fließfähige Zahnverbund auf der Oberfläche nach der Herstellung der Oberfläche und verteilt ihn in Nuten der Molaren (e) von Interesse mit einem Zahn Explorer.
8. Expose der Verbundzahn Heilung Licht für 30 Sekunden.
9. Schimmel eine okklusale Aufbau von etwa 3-4 mm unter Verwendung eines Dentalharz-Verbund, von der okklusalen Ebene der Molaren (n) von Interesse und Licht Heilung für 30 Sekunden.
10. Reduzieren Sie die Oberseite der Verbundaufbau zu einer flachen Oberfläche parallel eine einheitliche Ladeschema in allen Proben durch Verwendung eines geraden Kante und eine Hochgeschwindigkeits-Handstück zu ermöglichen.
    Anmerkung: Während der biomechanischen Tests sollten andere Proben in Tris-Phosphat-Pufferlösung (TBS) mit 50 mg / ml Penicillin gespeichert und Streptomycin ^15.

3. Lädt Geräte Drift undSteifigkeit, Materialeigenschaften Differenzierungsfähigkeit in situ Laden des Faser Joint

1. Sichern die Probe mit dem Verbundaufbau auf dem Amboß der Ladephase und Test für eine gleichmäßige Belastung, wie in Fig. 2B gezeigt.
2. Legen Sie eine Artikulationspapier auf der Oberfläche des Verbund gefolgt von dem Laden der Probe auf eine endliche Last für konzentrische oder exzentrische Belastung (2B und 2C) zu überprüfen.
3. Zeigen TBS-getränkten Kimwipe um die Probe zu Probe Hydratation zu gewährleisten. Stellen Sie eine Mulde auf der Probe und füllen Sie es mit TBS, die Orgel während der Bildgebung mit Feuchtigkeit versorgt.
4. Eingangs-und Spitzenlastverschiebungsrate in den Deben Software, um die Molaren zu einer gewünschten Spitzenlast bei einer Verschiebung Rate nach Ruhigstellung des Kieferhälfte zu komprimieren.
   Hinweis: Typische Anzeigen sollte eine reaktionäre Last enthalten, wie das Material im Laufe der Zeit zusammengedrückt (Lastsensorempfindlichkeit = 0,1N). Von Last-Zeit-und Weg-Zeit sollte ein Last-Verschiebungs-Kurve für das Druckmaterial erhalten ^16-18 werden. Verwendung der von dem Ladezyklen gesammelten Daten können verschiedene Eigenschaften der Verbindung bestimmt werden. Die Steifheit des Gelenks ist, indem die Steigung des linearen Teils (ungefähr die letzten 30% der Daten) der Ladephase der Last-Weg-Kurve ¹⁹ berechnet werden.

4. Die Färbung der Soft Tissue, der PDL, mit Phosphorwolframsäure (PTA)

Hinweis: Um Röntgenschwächungs Kontrast zu erhöhen, sollte die PDL mit 5% PTA-Lösung ²⁰ gefärbt werden.

1. Backfill PTA-Färbelösung in ein sauberes 1,8 ml Glascarpule und legen geladen Carpule in die Spritze.
2. Inject Lösung langsam (5 min / Glaszylinder) in die PDL-Raum der benachbarten Zähne, um strukturelle Schäden an parodontalen Gewebe um Molaren von Interesse zu verhindern.
   Hinweis: Die oben genannten Schritte sollte be wiederholt, bis etwa 5 Vollglaszylinder (9 ml)-Lösung werden injiziert und in die umgebenden Gewebe zu strömen. Die Proben vorbereitet kann auch über Nacht in der verbleibenden PTA-Lösung (8 Stunden) eingeweicht werden.

5. Empfohlene Scan-Einstellungen μ-XCT

Führen m-XCT mit den folgenden Scan-Einstellungen:

Ziel Vergrößerung	4X, 10X
	1800 Bilder
Röntgenröhrenspannung	75 kVp (50 kVp für PTA gefärbten Proben)
	8 W
Belichtungszeit	Zwischen 8-25 sec *
	~ 4 um (4X Ziel), ~ 2 um (10X-Objektiv) **

* Belichtungszeit basierend auf der Geometrie und der optischen Dichte der Probe und der Röntgenröhre variieren voltage.
** Tatsächlichen Pixelauflösung leicht basierend auf der Konfiguration der Quelle, Probe und Detektor unterscheiden.

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Ergebnisse

Die Einschätzung der Ladevorrichtung "backlash", "Pushback", Steifigkeit und Drift-System unter einer konstanten Last

Backlash: Zwischen Be-und Entladen des Zyklus gibt es eine Pause von 3 Sekunden, während der umgekehrte Räder innerhalb des Motors, bevor wahr Entladen beginnt, dh als die Probe zieht weg von der Aufsatzbacke (Abbildung 3). Dieser Zeitraum wird als ein Spiel in dem System, das einen Zeitabschni...

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Diskussion

Der erste Schritt bei der Schaffung dieses Protokoll beteiligt Bewertung der Steifigkeit der Laderahmen mit Hilfe eines starren Körpers. Basierend auf den Ergebnissen wurde die Steifigkeit signifikant höher, die die Verwendung der Ladevorrichtung zum weiteren Testen von Proben mit deutlich geringeren Steifigkeitswerte. Der zweite Schritt markiert die Fähigkeit des Instrumentes, um verschiedene Steifigkeitswerte unter Verwendung von zwei Phasen der Lade-Entlade-Kurve, die durch einen starren Körper, PDMS-Materialien ...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bard Parker Blade	BD	MEDC-001054
AFM metal disk	Ted Pella	16218
Polymethyl methacrylate	GC America	N/A
Uni-Etch	Bisco	E5502EBM
Optibond Solo Plus	Kerr Corp	N/A
Filtek Flow	3M	N/A
Hurculite Ultra	Kerr	34346
Tris buffer	Mediatech Inc.	N/A
Articulating paper	Parkell Inc.
Phosphotungstic Acid	Sigma Aldrich	HT152