Una migliorata meccanica metodo di prova per valutare osso-impianto Anchorage

Riepilogo

Un metodo migliore per meccanicamente prova l'ancoraggio osseo alle superfici implantari candidati viene presentato. Questo metodo consente l'allineamento della forza perturbazione esattamente perpendicolare o parallelo al piano della superficie dell'impianto, e fornisce un mezzo preciso per dirigere le forze interruzione una regione peri-implantari esatta.

Abstract

I recenti progressi nella scienza dei materiali hanno portato ad un notevole aumento della complessità topografica delle superfici implantari, sia su una micro-e nano-scala. Come tale, i metodi tradizionali di descrivere superfici implantari - determinanti e cioè numerici di rugosità superficiale - sono inadeguati per la previsione delle prestazioni vivo. Test biomeccanici fornisce una piattaforma precisa e comparativa per analizzare le prestazioni delle superfici biomateriale. Un metodo prove meccaniche migliorate per testare l'ancoraggio di osso per superfici implantari candidati è presentato. Il metodo è applicabile a entrambe le fasi iniziali e successive di guarigione e può essere impiegato per qualsiasi intervallo di superfici chimicamente o meccanicamente modificati - ma non superfici lisce. Impianti personalizzati rettangolari sono posti bilateralmente in femori distale di ratti Wistar maschi e raccolti con l'osso circostante. Le provette sono preparati e incapsulate utilizzando uno stampo separatista romanzo e l'interruzioneprova è eseguita con una macchina per prove meccaniche. Questo metodo consente l'allineamento della forza perturbazione esattamente perpendicolare o parallelo al piano della superficie dell'impianto, e fornisce un mezzo accurati e riproducibili per isolare una regione perimplantare esatto per il test.

Introduzione

Valutare ancoraggio di osso per superfici implantari endossei è stato al centro di grande attenzione, per il quale sono stati descritti molti metodi di prova meccanici ^1,2. Tutti tali metodi impongono una forza di perturbare il modello di osso / impianto essere impiegato, e possono essere sostanzialmente raggruppati in taglio, generalmente presentato come push-out o modelli estraibili ^{3,4, 3,5} inverse coppia, e tipi di trazione ^{6, 7.} Comunemente in tali prove, sia ossee ⁸ o materiale di impianto (nel caso di vetri fragili e ceramiche ^9,10) è fratturato e, assumendo una qualche forma di ancoraggio si è verificato, i resti di interfaccia osso / impianto (almeno in parte) intatti. Tali risultati sperimentali indicano non solo che la forza necessaria a provocare la frattura (o rottura) del modello non è la forza richiesta per separare dell'interfaccia osso / impianto ^11,12, ma anche che la superficie complessa del piano di frattura creata può essere refrattaria allamisurazione accurata. Tuttavia, tali test possono essere clinicamente rilevante, in quanto forniscono un indicatore comparativo della capacità di impianti di disegni superficiali differenti ad essere ancorato nell'osso. Tuttavia, va anche rilevato che tali confronti sono valide solo all'interno di un modello sperimentale, mentre il confronto tra i modelli sperimentali sono irto di difficoltà in quanto gli investigatori usano diverse specie animali espositrici sia lamellare o di tessuto osseo; trabecolare o di osso corticale guarigione modelli, e diverso meccanica geometrie e condizioni di prova.

Nel tentativo di derivare una misura della resistenza a trazione dell'interfaccia osso / impianto, molti ricercatori hanno utilizzato la superficie nominale dell'impianto per derivare un valore "carico di rottura", poiché la resistenza alla trazione è misurata come forza per unità di superficie. Questo è chiaramente un approssimazione data, come spiegato sopra, che l'interfaccia osso / impianto rimane intatto in molti dei test turbativa impieganoed. Inoltre misurando la superficie di impianti, superfici particolarmente topograficamente complesse, è limitata dalla risoluzione della tecnica di misura come discusso da Ronald et al. ¹³ Tuttavia, come valutato da Brunski et al. ^2, quando la superficie nominale di un impianto viene preso in considerazione, le differenze apparenti nella "resistenza alla trazione" associato con diversi disegni di superficie dell'impianto sono negati, suggerendo che le superfici implantari con superficie superiore forniscono grandi aree di contatto osso / impianto e richiedono più forza per fratturare il modello così. L'implicazione è quindi che più topograficamente complesse superfici possono aumentare il contatto osteogenesi, che si traduce in maggiore contatto osso impianto (BIC) e il conseguente perturbazione valori più alti nei test meccanici. Contatto osteogenesi è il prodotto di due fenomeni distinti: Osteoconduzione e formazione ossea. Infatti, abbiamo dimostrato che aumenta in osteoconduzione il topografosuperfici camente complesse possono essere quantificate misurando la risultante BIC ^14, e che tali superfici anche tradursi in valori ¹² superiore rottura meccanica.

Tuttavia, è salutare notare che osso perimplantare può formare da due meccanismi. Nelle cellule contatto osteogenesi di origine mesenchimale migrare alla superficie dell'impianto (osteoconduzione), differenziarsi in cellule ossee, ed elaborare de novo matrice ossea sulla superficie dell'impianto (formazione all'osso). La prima matrice ossea elaborato è una linea di cemento mineralizzata come si è visto in osso normale rimodellamento ¹⁵ (c'è molta confusione in letteratura riguardo a questa struttura biologica mineralizzata che a volte è pensato per essere un-mineralizzato ¹ o è sincretizzato con tutte le interfacce in osso ¹⁶ - per una discussione approfondita su questo argomento si veda Davies e Hosseini ^17). Contatto osteogenesi è un prerequisito essenziale per il fenomeno delle ossa-Bonding, ma è non essenziale per l'osso crescita interna ^18. La linea di cemento osseo mineralizzato è meccanicamente più debole del vano collagene mineralizzata dell'osso ^19. Quindi, intuitivamente, se la linea di interdigitation matrice cementizia con le caratteristiche dell'impianto nano viene confrontato con il tessuto osseo in crescita in caratteristiche implantari macro allora la forza meccanica richiesta per interrompere l'ex avrebbe, ragionevolmente, essere presumibilmente inferiore rispetto al secondo, e hanno recentemente dimostrato sperimentalmente ^12.

Dell'osso peri-impianto può formare anche dalla distanza osteogenesi. In questo caso, l'osso si deposita sulla vecchia superficie ossea e diventa progressivamente più vicino alla superficie dell'impianto realizzando un'interfaccia comprendente matrice amorfa e resti di cellule osteogeniche ^20. In generale, la distanza osteogenesi è associato con superfici implantari endossei lisce o lavorate ed è spesso visto nella guarigione dell'osso corticale, mentre microtopographically superfici complesse sono associati a contatto osteogenesi che è più tipico di guarigione ossea trabecolare. Modelli di prova di trazione usando superfici implantari lisce e guarigione dell'osso corticale sono stati in grado di testare le proprietà adesive della presente amorfo assente matrice biologica della osteogenesi contatto associato con superfici topograficamente complesse, e hanno dimostrato che il cosiddetto bonding "biochimico" che si verifica fornisce un componente minore dei valori di "carico di rottura" rilevati con superfici topograficamente complesse ^21. Al contrario, utilizzando un modello di guarigione ossea trabecolare, Wong et al. ²² hanno mostrato "un'eccellente correlazione" tra impianto rugosità superficiale e push-out carico di rottura, e indicato che legame chimico infatti svolto un ruolo trascurabile ancoraggio dell'osso all'impianto di superficie. Mentre è probabile che sia il contatto e la distanza osteogenesi si verificano, in misura diversa, in tutti endosseo peri-IMPLAnt guarigione vani, superfici microtopographically complesse si sono dimostrati di essere particolarmente vantaggiosa nella guarigione ossea trabecolare scomparti ^23. Questi ultimi sono classificati come Classe III o IV classe ossea nella letteratura dentale ^24.

Il nostro scopo è stato quello di concentrarsi sui meccanismi di contatto osteogenesi e la conseguente osso / impianto di ancoraggio che possono derivarne in un ambiente di guarigione ossea trabecolare. Questo ancoraggio, che dipende dalla topografia della superficie dell'impianto (vedi sopra), può verificarsi in diverse dimensioni-range. Da un lato, solo caratteristiche implantari submicron sono implicati in osso-bonding - come descritto da interdigitation del cemento osseo linea matrice di dette superfici, e visto su vetri bioattivi, ceramiche e ossidi metallici reticolare. Dall'altro, tessuto osseo (a volte completo di vascolarizzazione del sangue) può crescere in multi-micron, o macro-scala, caratteristiche di impianto superfici ^18. Entrambi i casi result in una forma di osso ancoraggio alla superficie dell'impianto, anche se i meccanismi sono chiaramente differenti. Tuttavia, un difetto comune della maggior parte dei metodi di prova meccanici riferimento in precedenza è allineare la forza di rottura in un piano esattamente perpendicolare o parallelo a quello della superficie dell'impianto (a seconda se la modalità di trazione o di taglio è impiegato). Riportiamo qui un metodo che supera questa limitazione.

Protocollo

1. Implant progettazione, fabbricazione e trattamento di superficie

1. Fabbricazione impianti rettangolari (dimensioni 4 millimetri x 2,5 mm x 1,3 mm, lunghezza x larghezza x altezza) in titanio commercialmente puro (CPTI). Praticare un foro centrale lungo l'asse longitudinale dell'impianto (diametro = 0,7 mm) per facilitare la stabilità dell'impianto presto all'interno del sito chirurgico e la successiva prove meccaniche (Figura 1).
2. Trattare le superfici superiore e inferiore dell'impianto.
   1. Per creare due superfici distinte, utilizzare un trattamento standard di sabbiatura (GB) per creare una superficie microtopographically complesso. Ulteriore modificare metà degli impianti sovrapponendo fosfato di calcio (CaP) nanoparticelle per creare una superficie nanotopographically complesso.

Nota: Vari trattamenti chimici o meccanici possono essere applicate per creare una topografia superficiale desiderata e / o chimica, e queste dipenderanno dalla natura del Questi, sperimentalesu da affrontare. Nell'esempio qui fornite, un gruppo di titanio commercialmente puro (CPTI) gli impianti è stato sottoposto a sabbiatura (GB) - un processo sottrattivo - per creare un microtopografia complesso. Metà degli impianti è stato poi ulteriormente modificato con l'aggiunta di fosfato di calcio (PAC) nanocristalli per creare un nanotopography super imposto (GB-DCD).

Nota: Quando si visualizza il micro-superficie sabbiata, rispetto al nano-superficie modificata, a 10.000 X ingrandimento, non c'è differenza evidente nelle caratteristiche superficiali. Tuttavia, se visto da 100.000 X di ingrandimento, le differenze diventano abbastanza evidente (Figura 2). È stato precedentemente dimostrato che tali modifiche superficiali hanno effetti profondi sulla osteoconduzione ^14.

2. Modello animale e la procedura chirurgica

1. Utilizzare i giovani ratti maschi Wistar (200-250 g) per questo modello. Tutte le procedure devono essere approvati dalle autorità locali com cura degli animalicomitati. Consentire agli animali libero accesso all'acqua e nel ratto chow.
   Attenzione: i ratti Wistar sono stati selezionati in questa procedura causa prima esperienza con questo sforzo del topo, sebbene altre ceppi di topo si potrebbero impiegare. L'accesso al cibo e acqua può essere modificata, a seconda della natura del problema sperimentale affrontati.


2. Ratti sedare utilizzando inalazione anestesia somministrata attraverso un cono di naso: 4% isoflurano in 1 LO ₂ / min per induzione, 2% isoflurano in 1 L di protossido di azoto e 0,6 LO ₂ / min per la manutenzione. Eseguire un test di punta pinch standard per garantire la sedazione efficace prima di continuare con la procedura.
3. Somministrare analgesici pre-e post-operatorio attraverso una iniezione sottocutanea di 0,01-0,05 mg / kg di buprenorfina.
4. Assegnare impianti da randomizzazione parziale e inserire bilaterale nelle metafisi distali di femore di ratto. Questo permette un impianto diverso, uno ciascuno da una selezione di differenti topografie superficie da confrontared, in femori controlaterale, per ottimizzare l'analisi statistica.
5. Preparare gli animali per la rasatura e la pulizia l'aspetto antero-laterale di ogni zampa posteriore con il 10% Betadine. Per prevenire l'ipotermia, posizionare un caldo pad circolazione dell'acqua sotto il topo anestetizzato.
6. Usando un bisturi chirurgico # 15, fare un'incisione attraverso la pelle lungo la faccia laterale della coscia per esporre il muscolo. Esporre il femore distale con smussa per deviare i corpi muscolari in modo minimamente invasivo.
7. Raschiare via il sottile strato di periostio sovrastante femore, utilizzando un scollaperiostio, per esporre completamente l'osso corticale per la foratura. Bisogna fare attenzione a non danneggiare la cartilagine di accrescimento o cartilagine articolare del ginocchio durante la dissezione e la rimozione del periostio smussato.
8. Una volta pulito e ispezionato, ruotare il femore lateralmente per esporre la porzione anteriore del femore distale (Figura 3A).
9. Per preparare il sito chirurgico, praticare unbicorticale fessura rettangolare nel mezzo della dell'osso attraverso entrambe le corticali. Per evitare il surriscaldamento del tessuto, l'irrigazione salina deve essere mantenuta per tutta la perforazione da un assistente chirurgico. Eseguire la perforazione in tre fasi:
   1. Primo, perforare la corteccia anteriore, esposta da dissezione, utilizzando una fresa dentale 1,3 millimetri attaccato ad un manipolo dentale per creare due fori 2,5 millimetri a parte lungo la linea mediana del femore.
   2. Successivamente, utilizzare una seconda punta (torsione 1,3 millimetri fresa dentale) per estendere questi fori attraverso la corteccia avversario, con conseguente fori paralleli bicorticale.
   3. Infine, unire i fori con un terzo lato taglio bava personalizzato in direzione prossimale-distale, formando il sito per l'impianto (Figura 3B).
10. Passare una sutura biodegradabile attraverso il difetto osseo con l'ago e ritorno intorno alla corteccia femorale esterno.
11. Infilare l'impianto sull'estremità libera della sutura e guidarlo nel difetto, wqui dovrebbe essere inserito a pressione. In questo modo, l'asse lungo l'impianto dovrebbe essere orientato perpendicolarmente all'asse longitudinale del femore (Figura 3C).
12. Legare la sutura intorno alla parte laterale del femore per fornire stabilità dell'impianto durante il recupero post-operatorio e nelle prime fasi di guarigione. Utilizzare la sutura rimanente per chiudere il tessuto muscolare, e reoppose il tessuto cutaneo con punti chirurgici (9 millimetri clip ferita).
13. Ispezionare siti chirurgici per segni di infezione, e controllare gli animali al giorno per compromessa capacità ambulatoriale. Escludi animali che non recuperano completamente la deambulazione, o quelli che hanno fratture femorali in sacrificio, dall'analisi.

3. Esempio di raccolta

1. Sacrificare gli animali a 9 giorni post-operatorio per dislocazione cervicale dopo l'esposizione al CO _2.
2. Al momento del sacrificio, staccare femori e pulito dei tessuti molli. Conservare immediatamente il 15% di saccarosio soluzione tampone per mantenere il tessuto hydration in preparazione per prove meccaniche (Figura 4A).
   Nota: I campioni sono memorizzati nella soluzione tampone saccarosio per mantenere l'idratazione dei tessuti durante il trasporto tra strutture. I campioni dovranno spendere circa 2-3 ore in soluzione durante la preparazione per le prove meccaniche.


3. Per preparare i campioni per prove meccaniche, tagliare l'osso alla larghezza degli impianti che utilizzano una fresa diamantata cilindrica collegata ad un sistema ad alta velocità. I campioni finali sono costituiti da due archi di osso collegate a ciascuna faccia dell'impianto (Figura 4B). Per archi che cadono durante la preparazione o il trasporto, assegnare un valore di prove meccaniche di 0 N.
   Nota: È importante essere molto delicato e preciso il taglio dei campioni, al fine di evitare danni o precompressione l'interfaccia. Callo osseo riparativo può crescere intorno all'asse lungo dell'impianto e anche nel foro longitudinale. Tale osso in eccesso deve essere rimosso da trillo campioni per le dimensioni esatte l'impianto rettangolare, come si può alterare i risultati di test meccanici.

4. Prove meccaniche

Uno stampo separatista personalizzato è stato progettato per pot ciascun campione, creando un metodo ripetibile e precisa di preparare i campioni per prove meccaniche. Il disegno consente l'isolamento di una regione 0,5 mm o osso perimplantare per una zona di test coerente, tenendo il campione centrata e completamente orizzontale durante il processo di impregnazione, che consente l'applicazione di una forza diretta perpendicolarmente alla superficie dell'impianto. Vedere la Figura 5 per i disegni completi e Figura 6 per i componenti finali.

Nota: Eseguire tutte le prove utilizzando un apparato prove meccaniche, operante ad una velocità della testa di 30 mm / min. Per una valutazione qualitativa residua dopo test osso, un microscopio da dissezione può essere utilizzato.

1. Invasaturadei campioni e prove meccaniche
   1. Rimuovere i campioni dalla soluzione tampone saccarosio e asciutto delicatamente macchia.
   2. Posizione esemplare nello stampo personalizzato. Far scorrere il perno orizzontalmente attraverso fori nelle pareti dello stampo e attraverso il foro centrale dell'impianto. Posizionare la piastra stabilizzante sul lato posteriore dello stampo per stabilizzare l'impianto (Figura 7).
   3. Riempire la base dello stampo con fluido composito dentale e curare per 60 secondi usando una alta intensità di cura luce.
      Nota: È importante scegliere un composito che non impostata con una reazione esotermica, come tale calore generato può influenzare le proprietà del tessuto.
   4. Dopo l'indurimento, aprire lo stampo e rimuovere il blocco provino indurito. Tracciare una linea nera sottile in pennarello indelebile sul arco laterale per l'identificazione.
   5. Fissare una replica prefabbricato del provino in una morsa, e centrare l'unità sulla base dello strumento prove meccaniche.
   6. Fissare il campione in vizio e passare un filo di nylon nel foro dell'impianto (Figura 8). Attaccare le estremità al centro della traversa mobile. Per coerenza, etichettare sempre e testare la parte laterale prima. Ripetere il processo con l'arco mediale.

Risultati

Tutti gli animali hanno aumentato la loro attività ambulatoriale con il tempo dopo il loro recupero da un intervento chirurgico. Questo è importante perché il carico ha effetti differenziali su topografie di diverse gamme di scala, come abbiamo recentemente riportato ^12. Una curva rappresentativa forza / spostamento per provini seguenti prove meccaniche è presentato in Figura 9A, ed i dati medi per ogni superficie dell'impianto è presentato in Figura 9B. Il valore ma...

Discussione

Il modello di test meccanico qui presentato fornisce un metodo migliorato per valutare l'ancoraggio di osso per superfici implantari candidati, poiché permette accurate perpendicolare o parallelo, l'allineamento del campione di prova con l'asse della forza perturbazione applicata, e limita la zona di frattura di entro mezzo millimetro della superficie dell'impianto. Il modello è facilmente incorporato in studi che confrontano l'efficacia di qualsiasi gamma di chimicamente o meccanicamente, superfic...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dulbecco’s Phosphate Buffer solution (DPBS)	Gibco Life Technologies, Burlington, ON, Canada	14190-250
10% neutral buffered formalin solution	Sigma-Aldrich Co. LLC., Canada	HT501128-4L
Custom-designed rectangular implants (commercially pure titanium; dimensions: 4mm x 2.5mm x 1.3mm with a 0.7mm hole drilled centrally down the long axis)	Biomet 3i, FL, USA	N/A
Custom-designed breakaway mould	Biomet 3i, FL, USA	N/A
Isoflurane	Baxter Internationl Inc.	N/A
Buprenorphine	Bedford Laboratories	N/A
10% betadine	Bruce Medical, MA, US	FR-2200-90
Scalpel	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	2586-M36-0100
Scalpel blade #15 (sterile)	Magna, Medstore, University of Toronto, Canada	2586
Periosteal elevator #24G	Spectrum Surgical, OH, USA	EX7
Forceps	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	7747-A10-108
Tissue forceps	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	7722-A10-308
Scissors	Almedic, Medstore, University of Toronto	7603-A8-240
Absorbant Fabric General Purpose Drape (sterile)	Vitality Medical	1089
Gauze (non-sterile)	VWR	89133-260
Needles 25G X 5/8" (disposable)	BD, Canada	305122
Syringes (sterile)	VWR, Canada	CABD309653
Needle Driver	Almedic, Medstore, University of Toronto, Canada	A17-132
Dynarex Surgical gloves (sterile)	Amazon.com	2475
Surgical masks	Fisherbrand, Medstore, University of Toronto, Canada	296360759
0.9% sterile saline	House brand, Medstore, University of Toronto, Canada	1011-L8001
Hair clippers	Remington, US	N/A
4-0 Polysorb	Syneture	SL5627G
9mm Wound Clips	Becton Dickinson, MD, USA	427631
ImplantMED DU 900 and WS-75 dental hand piece	W&H Dentalwerk, Austria	DU1000US
1.3 mm twist drill	Brasseler, GA, USA	203.21.013
1.3 mm dental burr	Biomet 3i, FL, USA	custom
1.2 mm cylindrical side-cutting burr	Biomet 3i, FL, USA	custom
Cylindrical diamond burr	Brasseler, GA, USA	H1.21.014
High speed dental drilling system	Handpiece: KaVo Dental Corporation, IL, USA	N/A
Handpiece Control: DCI International, OR, USA
99.5% Ultra Pure sucrose	BioShop Canada Inc., Burlington, ON, Canada	57-50-1
Flowable dental composite	Filtek Supreme Ultra Flowable Restorative, 3M ESPE, St Paul, Minnesota, USA	6033XW
Sapphire Plasma Arc high intensity curing light	Den-Mat Holdings, Santa Maria, CA, USA	N/A
Instron 4301 with 1000 N load cell	Instron, Norwood, MA, USA	N/A
Leica Wild M3Z Stereozoom dissecting microscope	Leica, Heerbrugg, Switzerland	N/A
QImaging Micropublisher 5.0 RTV digital camera coupled with QCapture 2.90.1 acquisition software	QImaging, Surrey, BC, Canada	N/A
Electronic digital caliper	Fred V. Fowler Company, Inc., Newton, MA, USA	N/A
Mechanical testing instrument	Instron, Norwood, MA, USA	N/A