骨 - インプラントアンカレッジ評価するために改良された機械的試験方法

要約

候補インプラント表面への試験、骨固定を機械的にするための改良された方法が提示される。この方法は、正確に垂直又は平行、インプラント表面の平面に対して破壊力の整列を可能にし、正確なインプラント周囲の領域に破壊力を向けるための正確な手段を提供する。

要約

材料科学における最近の進歩は、両方のマイクロおよびナノスケールで、インプラント表面のトポグラフィー複雑性の大幅な増加につながっている。このように、インプラント表面記述する伝統的な方法-表面粗さ、すなわち数値決定は、 - インビボ性能を予測するには不十分である。生体力学的試験は、生体材料表面の性能を分析するため、正確な比較のプラットフォームを提供します。候補インプラント表面への骨の足場を試験するための改良された機械的試験方法が提示される。この方法は、治癒の初期および後期段階の両方に適用可能であり、化学的または機械的に修飾された表面の任意の範囲のために使用され得る - しかし、表面を滑らかにしない。カスタム長方形のインプラントは、Wistar系雄性ラットの遠位大腿骨に左右対称に配置され、周囲の骨を収集している。試験片を調製し、新たな離脱カビや混乱を使用して鉢植えしている試験は、機械的試験機を用いて行われる。この方法は、正確に垂直又は平行、インプラント表面の平面に対して破壊力の整列を可能にし、試験のために正確なインプラント周囲領域を単離するための正確で再現性のある手段を提供する。

概要

骨内インプラント表面への骨の固定を評価することは、多くの機械的な試験方法^1,2に記載されているために、かなりの注目を集め、であった。すべてのそのような方法を採用している骨/インプラントモデルを破壊する力を加え、広くせん断にグループ化することができ、一般的に押し出しとして提示またはプルアウトモデル^3,4、トルク^3,5を逆にし、引張タイプ^{6、 7。} （脆いガラスおよびセラミック^9,10の場合）骨⁸またはインプラント材が破断されるか、そのような試験および、足場のいくつかのフォームが発生したと仮定すると、骨/インプラントインタフェースのままである（少なくとも部分的に）完全な一般的。このような実験の結果は、モデルの破壊（又は破壊）を引き起こすのに必要な力が骨/インプラント·インターフェース^11,12を分離する^のに必要な力であるだけでなく、作成した破断面の複雑な表面積ができることをことをするだけでなく意味に難治性であること正確な測定。彼らは骨に固定されるように、異なる表面デザインのインプラントの能力の比較ゲージを提供するので、それにもかかわらず、このようなテストは、臨床的に関連することができます。小柱または皮質骨のモデルを回復、および異なる機械的であるが、それはまた、研究者は、層状または網状骨のいずれかを呈する異なる動物種を使用するための実験モデル間の比較が困難に満ちているが、そのような比較は、実験モデル内でのみ有効であることに留意すべきであるテストのジオメトリと条件。

骨/インプラント界面の引張強度の測定値を導き出すための努力において、多くの研究者らは、引張強度が単位面積当たりの力として測定されるので、「引張強さ」値を導出するために、インプラントの公称表面積を使用している。これは、骨/インプラント界面が破壊試験の多くは無傷のままで使用することが、明らかに、上述したように、所与の近似値であるED。しかしロナルドら ¹³により説明したように、インプラント、特に地形的に複雑な表面の表面積を測定することに加えて、測定技術の分解能によって制限され、Brunski ら ²で概説されたときに、インプラントの公称表面積より高い表面積を有するインプラント表面は、骨/インプラント接触のより大きな領域を提供し、したがって、モデルを破砕するのに大きな力を必要とすることを示唆し、別のインプラント表面の設計に関連する「引張強度」における明らかな差異がネゲートされて、考慮される。意味するところは、それゆえ、より局所解剖学的に複雑な面が大きい骨インプラント接触（BIC）、その結果、接触骨形成を増加させ、機械的試験でより高い破壊値はその結果としてのことができるということです。骨伝導と骨形成：接触骨形成は、2つの別個の現象の産物である。確かに、我々はトポグラフに骨伝導して増加することが示されているICALLY複雑な表面が得られたBIC ^14を測定することによって定量し、そのような表面はまた、より高い機械的破壊^12値をもたらすこともできる。

しかし、インプラント周囲の骨が2のメカニズムによって形成することができることに注意することは有益である。間葉由来の接触骨形成細胞におけるインプラント表面（骨伝導）に移行し、骨細胞に分化し、インプラント表面（骨形成）にデノボ骨基質手の込んだ。最初の骨のマトリックスは、精緻^15を改造正常な骨に見られるように、石灰化したセメントラインである（時々 ¹非石灰化したと考えられているか、骨¹⁶内のすべてのインターフェイスでsyncretizedこの鉱物化生物学的構造に関する文献に多くの混乱があります-このトピックの完全な議論のために）デイヴィスとホセイニ^17を参照してください。接触骨形成、骨の現象の必須の前提条件である結合が、骨の内部成長¹⁸のための非必須である。骨の石灰化したセメントラインは骨¹⁹の鉱物化コラーゲンコンパートメントよりも機械的に弱い。インプラントナノ特徴を有するセメント線マトリックスの相互嵌合マクロインプラントの機能への成長における骨組織と比較された場合にこのように、直感的に、前者を破壊するために必要な機械的力は、合理的に、我々は後者よりも少ないことが予想され、あろう最近、実験的に¹²本を実証した。

インプラント周囲の骨も、距離骨形成によって形成することができる。この場合には、古い骨が骨表面上に堆積され、アモルファスマトリックスおよび骨形成細胞²⁰の残りを含む界面を生じるインプラント表面に徐々に近づく。一般に、距離骨形成は、滑らかな、または機械加工された、骨内インプラントの表面に関連しており、多くの場合、皮質骨の治癒に見られ、一方microtopographicaLLY複雑な表面は、海綿骨の治癒のより典型的なもので、接触骨形成と関連している。スムーズなインプラント表面および皮質骨の治癒を使用して引張試験モデルは、地形的に複雑なサーフェスに関連付けられたコンタクト骨形成のこの無定形生物学的マトリックスの不在の接着特性を試験することができましたし、発生したいわゆる「生化学」の結合が提供することが示されている地形的に複雑な表面²¹で報告された「引張強さ」の値の微量成分。逆に、骨梁の治癒モデルを使用して、Wong ら ^22は、インプラント表面粗さと押し出し破壊荷重の間の「優れた相関」を示し、化学結合が実際にインプラントに骨のアンカレッジのごくわずかな役割を果たしたことが示された表面。それは接触と距離骨形成の両方が、すべての骨内ペリimplaで、異なる程度に、起こる可能性が高いですが、区画を治癒、microtopographically複雑な表面自体は、小柱骨治癒に特に有利で ​​あることが示されたヌクレオチドは^、23区画 。後者は、歯科文献²⁴にクラスIIIまたはクラスIVの骨に分類される。

我々の目的は、接触骨形成のメカニズムや骨梁癒しの環境で結果として起きることができ、得られた骨/インプラントアンカレッジに集中することとなっている。インプラント表面の地形に依存している。このカレッジは、（上記参照）、様々なスケールの範囲で発生することがあります。そのような表面を有する骨セメント線マトリックスの相互嵌合によって記載されるように、および生体活性ガラス、セラミック、網状の金属酸化物で見 - 一方では、唯一のサブミクロン特徴は、インプラントの骨結合に関与している。他に、（血液、血管系と、時々 、完全な）骨組織は、マルチミクロンに成長することも、マクロスケール、インプラント表面¹⁸の特徴。両方の場合の解像度インプラント表面に骨の足場の形でULT、メカニズムは明らかに異なっているが。しかしながら、上記で参照機械的試験法の大部分の一般的な失敗は、（引張りまたは剪断モードが用いられるかに応じて）インプラント表面のそれに正確に垂直又は平行な面内で破壊力を整列することである。私たちはここに、この制限を克服する方法を報告する。

プロトコル

1。インプラント設計、製造、および表面処理

1. 純チタン（CPTI）から、（長さ×幅×高さ寸法が4ミリメートル×2.5ミリメートル×1.3ミリメートル）の長方形のインプラントを製造しています。手術部位とその後の機械的試験（ 図1）内で早期にインプラントの安定性を促進するために、インプラントの長軸（直径= 0.7ミリメートル）まで一元的に穴を開けます。
2. インプラントの上面及び下面を治療する。
   1. 二つの異なるサーフェスを作成するには、microtopographically複雑な表面を作成するために、標準的なグリットブラスト（GB）処理を使用しています。さらに、リン酸カルシウム（CaPの）を重ね合わせることによりインプラントの半分を変更することnanotopographically複雑な表面を作成するためにナノ粒子。

注：種々の化学的または機械的処理は、所望の表面トポグラフィおよび/または化学的性質を作成するために適用することができ、これらは、実験クエスティの性質に依存するであろう対処する上で。複雑な微地形を作成するために - サブトラクティブ法 - 本明細書で提供される例では、市販の純チタン（CPTI）インプラントの一つのグループは、グリットブラスト（GB）に供した。インプラントの半分を、さらなる超課さナノトポグラフィ（GB-DCD）を作成するために、リン酸カルシウム（CaPの）ナノクリスタルの付加により修飾した。

注意：変更されたナノ表面と比べて、グリットブラストミクロ面を表示すると、万倍の倍率で、表面特性に明らかな違いはありません。 10万倍の倍率で見た場合しかし、違いは（ 図2）非常に明白になる。これは、以前にこのような表面変化は骨伝導¹⁴に重大な効果を有することが示されている。

2。動物モデルおよび外科的手技

1. このモデルのために、若い雄Wistarラット（体重200〜250g）を使用します。すべての手順は、ローカルの動物管理COMによって承認されなければならないmittees。動物に水やラット飼料への無料アクセスを許可します。
   注意：ラットの他の菌株を用いることもできるがWistarラットは、原因ラットのこの株での経験には、この手順のために選択した。食物および水へのアクセスは、アドレス指定されている実験的な質問の性質に応じて、変更することができる。


2. ノーズコーンを介して投与吸入麻酔を使用した落ち着いたラット：誘導のための1のLO ₂ /分で4％イソフルラン、メンテナンスのために1リットルの亜酸化窒素と0.6 LO ₂ /分で2％のイソフルラン。手順を続行する前に、効果的な鎮静を確保するために、標準的なつま先のピンチテストを実施しています。
3. 鎮痛前と手術後0.01〜0.05 mg / kgのブプレノルフィンを皮下注射によって投与する。
4. 部分的ランダム化によってインプラントを割り当てて、ラットの大腿骨の遠位骨幹端で左右対称に配置します。これは、異なる表面トポグラフィの選択と異なるインプラント、1それぞれ比較することができますD、対側大腿骨に、統計分析を最適化します。
5. 10パーセントベタジン各後肢の前外側面を削ると、洗浄することにより、動物を準備します。低体温症を防ぐために、麻酔したラットの下に温水循環パッドを配置。
6. ＃15外科用メスを使用して、筋肉を露出させ、太ももの外側面に沿って皮膚を通って切開する。最小侵襲的な方法で、筋肉の体を偏向する鈍的切開を使用して遠位大腿骨を公開します。
7. 完全に穿孔するための皮質骨を露出させるために、骨膜のエレベータを使用して、大腿骨の上を覆う骨膜の薄い層を削り取る。ケアは鈍的切開し、骨膜を除去する際に膝関節の成長板や関節軟骨を損傷しないよう注意する必要があります。
8. 一度に洗浄、検査、遠位大腿骨（ 図3A）の前面を露出させ、横方向に大腿骨を回転させます。
9. 手術部位を準備するために、ドリル両方の皮質を通して骨の中盤バイコーティカル長方形のスロット。組織の過熱を防ぐため、生理食塩水灌漑は、手術助手による掘削を通じて維持されなければならない。 3段階に分けて掘削を実施。
   1. まず、離れて大腿骨の中央線に沿って2穴2.5ミリメートルを作成するには、歯科用ハンドピースに装着1.3ミリメートル歯科用バーを使用して、解剖によって公開された前部皮質、ドリルスルーします。
   2. 次に、バイコーティカル並列穴で、その結果、反対側の皮質を介してこれらの穴を拡張するために第二のドリルビット（ツイスト1.3ミリメートル歯科用バー）を使用します。
   3. 最後に、インプラント（ 図3B）は、Webサイトを構成する、近位-遠位方向に第三のカスタムサイド切削バリを使用して穴に参加します。
10. 取り付けられた針を使用して骨欠損を通して生分解性縫合糸を通過させ、外側の大腿骨皮質を中心に戻ります。
11. ワット、縫合糸の自由端の上にインプラントをねじ込み、欠陥にそれを導くここでは、圧入する必要があります。このように、インプラントの長軸は、大腿骨（ 図3C）の長軸に対して垂直に配向されるべきである。
12. 術後の回復や治癒の初期段階でインプラントの安定性を提供するために、大腿骨の外側面の周りに縫合糸を結ぶ。筋肉組織を閉じるために、残りの縫合糸を使用し、外科用ステープル（9ミリメートルの創傷クリップ）を使用して皮膚組織をreoppose。
13. 感染の兆候が手術部位を点検し、損傷した歩行能力のために毎日動物を監視します。完全に歩行を回復しない動物、あるいは分析から、犠牲にして大腿骨骨折を持っているものを除外します。

3。サンプル収穫

1. CO ₂の暴露後に頸椎脱臼により術後9日目に動物を生け贄に捧げる。
2. 犠牲時には、大腿骨と軟部組織のクリーンを切り離す。組織hを維持するために15％スクロース緩衝液中で直ちに保存する機械的試験（ 図4A）に備えてydration。
   注：試験片は、施設間の輸送中に組織水和を維持するために、スクロース緩衝液に格納される。標本は、機械的試験のための準備中に、溶液中に約2〜3時間を過ごすことになります。


3. 機械的試験のための試験片を準備するために、高速なシステムに接続された円筒状のダイヤモンドバリを使用して、インプラントの幅に骨をトリミング。最終的な試験片は、インプラント（ 図4B）の各面に付着した骨の2アーチで構成されています。準備や輸送中に脱落のアーチのために、0 Nの機械的試験値を割り当てる
   注：損傷またはインタフェースをプレストレスを避けるために、試験片をトリミングするときにそれは非常に穏やかで正確であることが重要である。骨の修復カルスは、インプラントの長軸を中心に、さらには縦の穴に成長することができます。このような過剰な骨はTRIで削除する必要がありますそれは機械的試験の結果を歪曲することができますように、長方形のインプラントの正確な寸法に標本をmming。

4。機械的検査

カスタム離脱モールドは、各試験片を機械的試験用のサンプルを調製する反復可能かつ正確な方法を作成し、ポットに設計されました。直接インプラント表面に垂直な力を加えることを可能にする、ポッティングプロセスの間に試料を中心と完全に水平を保持しながら設計は、一貫性の検査ゾーンのインプラント周囲の骨の、0.5mmの領域の単離を可能にする。完全な設計図と最終のコンポーネントについては、図6は図5を参照してください。

注：すべての行動は30mm /分のクロスヘッド速度で動作して、機械試験装置を用いて試験する。試験後の残存骨の定性的評価のために、解剖顕微鏡を使用することができる。

1. ポッティング検体および機械的試験の
   1. ショ糖緩衝液から標本を取り出して、乾いたブロット。
   2. カスタムモールドの位置標本。水平に、金型の壁の穴を通って、インプラントの中央にある穴からピンをスライドさせます。インプラント（ 図7）を安定させるために、金型の後側に安定化プレートを置きます。
   3. 流動性の歯科用複合金型のベースを入力し、高強度の硬化光を用いて60秒間硬化する。
      注：生成されたそのような熱は、組織特性に影響を与えることができるように、発熱反応で設定されていない複合材料を選択することが重要である。
   4. 硬化後、金型を開き、硬化試料ブロックを削除します。識別のために横方向のアーチに油性マジックで細い黒線を描画します。
   5. バイスでの試験片のプレハブレプリカを修正し、機械的な試験装置のベースにユニットを中央に。
   6. 逆に試料を固定し、インプラントの穴（ 図8）を介してナイロンラインを渡します。移動クロスヘッドの中央に緩い端を取り付けます。一貫性を保つため、常に最初の側面にラベルを付けてテストします。内側アーチ同じ処理を繰り返します。

結果

すべての動物は、手術からの回復後、時間との歩行活動を増加させた。我々は最近^12を報告しているように、負荷は、異なるスケール範囲のトポグラフィの差動効果を有するので、これは重要である。機械的試験以下の試験片についての代表的な力/変位曲線を、 図9（A）に提示され、各インプラント表面のための平均化されたデータは、 図9Bに示されている?...

ディスカッション

とに破砕帯を制限する、それが正確な垂直のために、または並列、印加破壊力の軸と試験サンプルの位置合わせができるのでここで提示機械的試験モデルは、候補インプラント表面への骨の固定を評価するための改良された方法を提供するインプラント表面の半分ミリメートル以内。モデルは、簡単に化学的、または機械的に、修飾された表面の任意の範囲の有効性を比較した研究に組み込?...

資料

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