In situ à la compression de chargement et d'imagerie non invasive corrélative de l'os-ligament parodontal-dent Fort commune

Résumé

Dans cette étude, l'utilisation d'un dispositif de chargement in situ couplée à la tomographie micro-ordinateur à rayons X pour la biomécanique articulaire fibreux en sera discuté. Lectures expérimentales identifiables avec un changement global de la biomécanique articulaire seront les suivants: 1) les forces réactionnaires en fonction du déplacement, c'est-dent déplacement dans l'alvéole et sa réponse réactionnaire à charge, 2) en trois dimensions (3D) configuration spatiale et morphométriques, soit géométrique relation de la dent avec l'alvéole, et 3) les changements dans les affichages 1 et 2 en raison d'un changement dans l'axe de chargement, c'est à dire les charges concentriques ou excentriques.

Résumé

Cette étude démontre un protocole de test de nouveaux biomécanique. L'avantage de ce protocole comprend l'utilisation d'un dispositif de chargement in situ couplée à un microscope à haute résolution des rayons X dans, permettant ainsi la visualisation des éléments structurels internes au titre des charges physiologiques simulées et des conditions humides. Échantillons expérimentaux comprendront intact ligament à l'os parodontal (PDL)-dent articulations fibreuses. Résultats illustrent trois aspects importants du protocole car ils peuvent être appliqués à la biomécanique au niveau d'organes: 1) la force réactionnaire en fonction du déplacement: dent déplacement dans l'alvéole et sa réponse réactionnaire à charge, 2) en trois dimensions (3D) configuration spatiale et morphométriques: la relation géométrique de la dent avec l'alvéole, et 3) les changements dans les affichages 1 et 2 en raison d'un changement dans l'axe de chargement, c'est à dire à partir de concentrique aux charges excentrées. L'efficacité du protocole proposé sera évaluée en couplant te mécaniquepiqûre lectures à la morphométrie 3D et de la biomécanique ensemble de la commune. En outre, cette technique mettra l'accent sur la nécessité d'équilibrer les conditions expérimentales, des charges particulièrement réactionnaires avant d'acquérir des tomographies de joints fibreux. Il convient de noter que le protocole proposé est limité à l'analyse des échantillons sous des conditions ex vivo, et que l'utilisation d'agents de contraste pour visualiser les tissus mous réponse mécanique pourrait conduire à des conclusions erronées sur la biomécanique des tissus et au niveau des organes.

Introduction

Plusieurs méthodes expérimentales continuent d'être utilisés pour étudier la biomécanique de diarthroses et fibreux. Les méthodes spécifiques pour la biomécanique d'organes de dents comprennent l'utilisation de jauges de contrainte ^{de 1 à 3,} les méthodes de photoélasticité ^{4, 5,} l'interférométrie de moiré ^{6, 7,} électronique mouchetis interférométrie ^8, et de la corrélation d'images numériques (DIC) ^9-14. Dans cette étude, l'approche novatrice comprend imagerie non invasive utilisant des rayons X d'exposer les structures internes d'un joint fibreux (tissus minéralisés et de leurs interfaces, comprenant des zones plus doux, et l'interfaçage des tissus tels que les ligaments) à des charges équivalentes à des conditions in vivo. Un dispositif de chargement in situ dans un microscope couplé à micro-rayons X est utilisé. Le temps de charge et courbes charge-déplacement seront recueillies que la molaire d'intérêt au sein d'un hémi-mandibule rat fraîchement récolté est chargé. Le main objectif de l'approche présentée dans cette étude est de mettre l'accent sur l'effet de la morphologie tridimensionnelle de la dent à l'os en comparant les conditions à: 1) pas de charge et lorsqu'il est chargé, et quand 2) concentrique et de façon excentrée. Éliminant ainsi la nécessité pour les spécimens coupés, et de réaliser des expériences sur les organes entières intactes dans des conditions humides permettra de préserver au maximum de l'état de contrainte 3D. Cela ouvre un nouveau champ d'investigation dans la compréhension des processus dynamiques du complexe sous différents scénarios de chargement.

Dans cette étude, les méthodes de test biomécanique de PDL au sein d'une joint fibreux intact d'un rat Sprague Dawley, une collaboration considérée comme un système modèle de la bio-ingénierie optimale seront détaillées. Expériences comprennent la simulation de charges de mastication dans des conditions hydratées afin de mettre en évidence trois caractéristiques importantes de la commune en ce qui concerne à la biomécanique au niveau des organes. Les trois points seront les suivants: 1) les forces réactionnaires en fonction du déplacement:dent déplacement dans l'alvéole et sa réponse réactionnaire à charge, 2) en trois dimensions (3D) configuration spatiale et morphométriques: relation géométrique de la dent avec l'alvéole, et 3) les changements dans les affichages 1 et 2 en raison d'un changement de axe de chargement, c'est à dire à partir de concentrique aux charges excentrées. Les trois lectures fondamentaux de la technique proposée peut être appliquée pour étudier la nature adaptative des articulations chez les vertébrés, soit en raison de changements dans les demandes fonctionnelles et / ou de la maladie. Changements dans les affichages mentionnés ci-dessus, en particulier la corrélation entre les charges réactionnaires de déplacement, et résultant courbes réactionnaires charge à temps et charge-déplacement à différents taux de charge peuvent être appliquées pour mettre en évidence les changements globaux dans la biomécanique articulaire. L'efficacité du protocole proposé sera évaluée en couplant lectures d'essais mécaniques de morphométrie 3D et de la biomécanique ensemble de la commune.

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Protocole

Logement des animaux et de l'euthanasie: Tous les animaux utilisés à cette manifestation ont été logés dans des conditions exemptes d'agents pathogènes, conformément aux lignes directrices de l'entretien et l'utilisation des animaux Commission institutionnelle (IACUC) et l'Institut national de la santé (NIH).

Offrir aux animaux pour rats dur culot standard et de l'eau ad lib. Euthanasier les animaux par une méthode en deux étapes de dioxyde de carbone asphyxie, thoracotomie bilatérale en conformité avec le protocole standard de l'UCSF approuvé par IACUC. Effectuer des tests biomécaniques dans les 24 heures de sacrifice d'animaux pour éviter la dégradation des tissus.

Une. Préparation et Dissection d'une mandibule ou maxillaire Rat

1. Retirer mandibules de rat en coupant délicatement les pièces jointes de tissus et de tissus musculaire membraneuses tout en préservant l'ensemble mandibule, y compris le processus coronoïde et le condyle (figure 1) ^15.
2. Hemimandibles séparés en voitureefully couper le tissu fibreux de la symphyse mandibulaire avec une lame de scalpel.
   Remarque: Les processus coronaires et condyliennes et branche de la mandibule (figure 1) devraient être supprimés s'ils gênent physiquement tests biomécaniques ^de la 2 ^ème molaire.
3. Couper les incisives sans exposer la chambre pulpaire à ne pas gêner le chargement de la molaire.

2. Préparation des échantillons in situ pour la compression chargement (Figure 2)

1. Immobiliser l'échantillon sur un talon de l'acier en utilisant un matériau qui est sensiblement plus rigide que les échantillons expérimentaux avant de le charger dans un dispositif de chargement in situ (Figure 2A) dans.
   Remarque: polyméthacrylate de méthyle (PMMA) a été utilisé pour immobiliser l'échantillon de cette étude et l'excès, le cas échéant, a été éliminé en utilisant un explorateur dentaire.
2. Aligner la surface occlusale de la molaire (s) d'intérêt parallèlement à la platine métallique AFM aide d'une règle à la foisplans (c.-à-mésiodistale et bucco-lingual).
3. Créer un creux avec un objet contondant entourant les molaires.
   Note: Cet espace doit servir de "fossé" pour contenir le liquide en excès et maintenir l'hydratation des tissus pendant le chargement in situ.
4. Préparer la surface de la dent à s'accumuler pour concentrique (figure 2B) ou excentrique (figure 2C) en utilisant un chargement composite dentaire. Graver la surface de la dent d'intérêt avec un gel d'acide phosphorique à 35% sur la surface de mastication pendant 15 s.
5. Rincer l'agent de gravure à l'eau désionisée et sécher la surface à l'aide d'une seringue air / eau ou une cartouche à air comprimé. Avec un explorateur, répandre une goutte de l'agent de liaison en pointes ouvertes dans une couche mince. Traiter le composite avec une lampe à polymériser dentaire.
   Remarque: Toutes les étapes impliquant composites devraient être exécutées sans lumière directe d'une lampe. Ces conditions non souhaitable d'accélérer le processus de polymérisation, et could empêcher le positionnement correct du composite. éclairage de la pièce est acceptable.
6. Éliminer l'agent de liaison en excès de dents adjacentes avec un scalpel amende ou une lame de rasoir.
7. Placez composite dentaire fluide sur la surface suite à la préparation de la surface et l'étaler dans les rainures de la molaire (s) d'intérêt en utilisant un explorateur dentaire.
8. Exposer le composite à la lumière de durcissement dentaire pendant 30 secondes.
9. Mouler une accumulation d'occlusion de l'ordre de 4.3 mm en utilisant une résine composite dentaire, à partir du plan d'occlusion de la molaire (s) d'intérêt et photopolymériser pendant 30 sec.
10. Réduire le haut de l'accumulation composite sur une surface plane parallèle pour permettre un système de chargement uniforme dans tous les échantillons à l'aide d'une règle et une pièce à main haute vitesse.
    Remarque: Lors de tests biomécaniques, d'autres échantillons doivent être stockés dans tris-solution tamponnée au phosphate (SCT) avec 50 mg / ml de pénicilline, la streptomycine et ^15.

3. Chargement dérive de l'appareil etRigidité, Matériel propriété de différenciation des capacités, in situ Chargement de la commune Fort

1. Fixer le spécimen avec l'accumulation de synthèse sur l'enclume de l'étage de chargement, et le test de charge uniforme comme le montre la figure 2B.
2. Placez un papier à articuler sur la surface du composite suivi d'un chargement de l'échantillon à une charge finie pour vérifier le chargement concentrique ou excentrique (figures 2B et 2C).
3. Placez Kimwipe SCT trempé dans l'échantillon pour assurer spécimen hydratation. Faire un creux autour de l'échantillon et de le remplir avec le SCT pour maintenir l'organe hydraté pendant l'imagerie.
4. une pointe de charge d'entrée et la vitesse de déplacement dans le logiciel Deben pour comprimer la molaire à une charge de crête souhaité à une vitesse de déplacement suivant l'immobilisation du hemimandible.
   Remarque: lectures typiques devraient inclure une charge réactionnaire que le matériau est comprimé au cours du temps (sensibilité du capteur de charge = 0,1N). De charge-temps et le déplacement en temps, une courbe charge-déplacement pour le matériau comprimé doit être obtenu ^16-18. En utilisant les données recueillies à partir des cycles de chargement, diverses propriétés du joint peuvent également être déterminés. La raideur de l'articulation doit être calculée en prenant la pente de la partie linéaire (environ le dernier 30% de données) de la phase de chargement de la charge en fonction de la courbe de déplacement ^19.

4. La coloration des tissus mous, le PDL, avec de l'acide phosphotungstique (PTA)

Remarque: Pour améliorer X-ray atténuation revanche, le PDL doit être coloré avec une solution de PTA de 5% ^20.

1. Solution de coloration remblai PTA dans un récipient propre de 1,8 ml de cartouche en verre et placer de cartouche chargée dans la seringue.
2. Injecter la solution lentement (5 min / de cartouche) dans l'espace PDL des dents adjacentes pour empêcher des dommages structurels aux tissus parodontaux molaire d'intérêt environnants.
   Remarque: Les étapes ci-dessus devraient be répété jusqu'à environ 5 carpules plein (9 ml) de solution sont injectés et autorisé à circuler dans les tissus environnants. Les spécimens prepped peuvent également être trempées pendant une nuit dans la solution d'ATP restant (8 h).

5. Paramètres de numérisation μ-XCT recommandés

Effectuer m-XCT avec les paramètres de numérisation suivants:

Grossissement de l'objectif	4X, 10X
	1800 images
X-ray tension du tube	75 kV (50 kV pour les échantillons de la ZEP souillé)
	8 W
Temps d'exposition	~ 8-25 sec *
	~ 4 pm (objectif 4X), ~ 2 pm (objectif 10X) **

* Le temps d'exposition peut varier en fonction de la géométrie et de la densité optique de l'échantillon et de tube à rayons X voltage.
** Pixels de résolution réelle sera légèrement différer en fonction de la configuration de la source, l'échantillon, et le détecteur.

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Résultats

Estimation de la charge dispositif "jeu", "refoulement", la raideur et la dérive du système sous une charge constante

Backlash: Entre chargement et de déchargement des parties du cycle, il existe une pause de 3 sec au cours de laquelle se prépare inverse dans le moteur avant le déchargement commence vrai, à savoir que l'échantillon s'éloigne de la mâchoire supérieure (Figure 3). Cette période e...

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Discussion

La première étape dans l'établissement de ce protocole a consisté à évaluer la rigidité du cadre de chargement à l'aide d'un corps rigide. D'après les résultats, la rigidité était significativement plus élevée permettant l'utilisation du dispositif de chargement pour un test supplémentaire d'échantillons avec des valeurs de rigidité nettement plus faibles. La deuxième étape a mis en évidence la capacité de l'instrument de distinguer différentes valeurs de rigidité à l&...

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matériels

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