調整可能な剛性、ラット大腿骨骨切り術や分節骨欠損モデルの創外固定器

要約

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.

要約

それは骨折が治癒するような方法を決定するように骨折の治癒の周りの機械的な環境は非常に重要です。過去10年間で、病変の周囲の固定安定性を通して機械的環境を変化させることによって、骨の治癒を向上させる上で大きな臨床上の関心が集まっている。この分野での前臨床動物研究の一つの制約は、実験的な大分節欠損内の局所的な機械的環境の制御だけでなく、彼らが治癒するように骨切り術の欠如である。本論文では、大規模な分節骨欠損や骨切り術の治癒を研究するために創外固定器の設計および使用について報告する。それが治癒するように、このデバイスは、骨病変を制御軸方向の剛性を可能にするだけでなく、 生体内での治癒過程の間に剛性の変化を可能にする。行われた実験は、固定具が5mm大腿骨欠陥ギャップを維持することができたことを示している無制限のケージ中のin vivoでのラットで少なくとも8週間のアクティビティ。同様に、私たちは全体の治癒期間中のピンの感染症を含む歪みや感染症を、観察されず。これらの結果は、新開発の創外固定器は、再現性があり、標準化され安定化を達成することができたことを実証し、in vivoでのラットの大きな骨欠損や各種サイズの骨切り術の機械的環境の変化。これは、外部固定装置は、骨再生および修復の分野におけるラットモデルを用いた前臨床の研究調査に適していることを確認する。

概要

多くの研究は、骨組織の修復^1-6に関与する生物学的メカニズムの理解が改善されている。そのような、軸方向、せん断および片間運動（IFMに）などの骨修復に対する機械的条件の影響が広範囲に^7-15研究されている。過去数年間で、より多くの研究は、骨折、骨切り術およびin vivoモデルでの大きな分節骨欠損を使用して、骨の治癒に対する機械的な環境の影響を記述する登場し始めた。したがって、確実な固定方法は、再現性と信頼性試験の結果を得るために必要とされる。

それは骨折が治癒するような方法を決定するように治癒骨折の周りの機械的な環境は非常に重要です。このように、固定装置の選択は非常に重要であり、慎重に研究デザイン、およびそのようなギャップサイズ及び骨折のタイプなど他の要因に応じて選択されるべきである。固定装置の機械的特性再さらに重要全重量軸受の実験期間を通じて一定のギャップの大きさだけでなく、骨治癒のための理想的な機械的な環境ではないだけを提供して固定を確立するために、大きな骨欠損の骨の治癒を研究する。それらは、他の固定装置を上回る利点を持っているので、外部固定器は、一般的に骨折と大きな骨欠損治癒の実験モデルにおいて使用されている。外部固定器の主な利点は、それらが実験の過程の間にデバイスの安定性バーを変更または調整することによって達成することができる二次介入なしに、インビボでの欠損部位での機械的環境の変化を可能にすることである骨の治癒が進行する。また、骨の修復を高めるために、特定の局所的な機械的刺激の適用を可能にし、またin vivoでのカルス組織の剛性を測定する可能性を提供する。それにもかかわらず、デバイスはまた、いくつかの欠点を有しているそれは、次のとおり、軟組織の炎症、感染症およびピン破損を。

残念ながら、このようなインプラントは、インプラントの開発時には「既製品」は利用できなかった、と研究者らは、目的とする用途のために独自の固定器を設計するカスタムせざるを得なかった。したがって、この分野の研究の一つの制約は、それが治癒するように局所的な機械的に大きな分節欠損内の環境だけでなく、骨切り術にわたる実験対照の欠如だった。ピン間の距離は、ピン径、ピン材、ピン数、固定具のバーの長さ、固定具棒番号：創外固定器の機械的特性は次式で定義され、含まれる多数の変数によって調節することができる固定具棒材、固定具棒の厚さおよび固定具棒（オフセット）に対する骨表面からの距離。驚くべきことに、研究の唯一の不足は、個別のコンポーネントの機械的な寄与を検討したことが見出され得る固定器またはげっ歯類の研究^16,18,28で使用されるフレーム全体構成の。例えば、ある研究の結果は、固定構築物の全体剛性を決定する際の主な要因の一つは、それらのオフセット、直径および材料特性²⁸に関連して、ピンの自由度によって支配されることを示した。上記の研究からの結果は、固定装置によって提供される機械的な環境を知ることは極めて重要であり、さらに、多くの場合、詳細に研究されていないことを示唆している。本論文は、この問題に対処する外部固定具の設計、仕様、およびin vivoでの移植を報告します。この固定器はまた、治癒が進行するにつれて機械環境、 生体内での治癒過程の異なる段階のメカノ感度の研究を可能にするプロパティの調節を可能にする。また、同様に印象的な制御され、再現性のある地元の整備士ら環境は、そのアクセス可能性はまた、骨治癒の異なる段階でのこの環境の調節を可能にする。

私たちは設計された固定器は広く骨折固定^16-21と実験動物における大きな欠陥モデル^22-27のために使用される外部固定、に基づいていた。私たちの創外固定器であり、文献に報告されている他の既存の設計の違いは、それらの安定バーがキルシュナーワイヤ（Kワイヤ）との緊密なグリップを持つようにネジで固定されていることである。このタイプの設計は、ロードが安定性バーの緩みを防止するために、体重負荷を介して印加されるように、オフセットの距離が維持されていることを確認するために（時には毎週）隔週締めされるねじを必要とします。そのような緩みが発生した場合、そのような角度、横方向および個人的な経験に基づいて、骨治癒（、researcheとの通信にねじりせん断運動のような不必要な追加の荷重条件を可能にするこれを知るRS）は、創外固定器は、固定具の剛性を変更する必要があるとき、それは取り付けピンが埋め込 ​​まれているメインモジュールに取り付けられた接続要素を除去することによって達成されることなどの設計された。 in vivoでのパイロット実験は、それが大量に製造される前に提案されたすべての要求を満たしていることを確認するために、新しい外部固定のプロトタイプを用いて行った。

この紙の主な目的は、治癒プロセスの間に、インビボでの剛性を変更する能力をラットにおいて大きな骨欠損や骨切り術のために使用される外部固定器のための新しい手術方法を提示することである。この固定方法は、ラットの大腿骨にインビボで適用される。

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プロトコル

動物の世話および実験プロトコルは、NIHガイドラインに従って続き、ベス·イスラエル·ディーコネス医療センター施設内動物管理使用委員会、マサチューセッツ州ボストンによって承認された。 （プロトコール番号：098から2009）

手術材料と器具の作製

1. 使用前に手術を行うために使用されるすべての外科材料や器具を滅菌する。折り畳まれた布や紙の内側に包まれ、または計器トレイなしで、必要な材料をパックし、蒸気滅菌用オートクレーブテープで密封する。オートクレーブの温度は、滅菌時間の20〜25分間125〜135ºCでもよく、乾燥時間、次いで10〜15分べきである。
2. 手術時にラットが200〜250グラムであることを確認してください。ラットのサイズが重い場合は、異なるサイズの固定器が使用されるべきであるので、これは非常に重要である。ラットのために外部固定システムのより重い250 GA拡大版を使用する必要があります。

2外科的手技と創外固定器の応用

1. いずれの認定動物業者からスプラーグ·ドーリー（または他の系統）ラット（雄または雌、体重200〜250gの）購入。調査者の施設内動物管理使用委員会によって承認された国のガイドラインに従った適切な動物のケアと実験プロトコールに従ってください。手順の前に48時間の順応期間の最小値を許可します。
2. 手術のために、専用の外科処置室にラットを輸送。
3. 第1誘導チャンバーを経由してイソフルランでラットを麻酔した後、O ₂ /分の1〜1.5リットルに1.5から2パーセントの割合で麻酔装置に接続されたフェイスマスクを続行します。手術の開始時に、動物が深い麻酔下にあることを確認してください。これを行うには、手足を拡張し、指で足の指の間のウェブつまんでペダルレフ技術を使用する（ しないつま先そのもの！）。動物はsuコマンドはありません手足が撤回された場合fficiently麻酔し、筋肉の痙攣が発生した場合、または動物が音がする場合。
4. ラットは手術のための深い全身麻酔下になった後、右脚に筋肉内に抗生物質（セファゾリン、20ミリグラム/ kg）および鎮痛剤ブプレノルフィン（投与量0.08ミリグラム/ kg）を注入する。手術中の流体損失を多量に回避するために手術前の体重の3〜5％で温かい滅菌生理食塩水を皮下投与し、そして、最後に必要だ場合。角膜損傷を防ぐために、水和を保つために、目に無菌の眼軟膏を適用します。
5. 薬物注射の後、剃るとchlorohezadineまたはその他の消毒液とラットの全右後肢をきれいにし、手術台に動物を転送します。 （オペレート足を注入したものと同じである必要があります。）
6. 腹臥位（ 図1A）で加熱された表面に動物を置きます。ことを確認してくださいフェイスマスクは鼻と口後方に残っているえー手術台への転送、および2.3に記載されている麻酔レジメン）を維持する。手術のために意図された唯一の脚部が露出するように、滅菌有窓ドレープを外科処置の面積ドレープ。
7. 外科用メス（ 図1C）を使用して、膝の顆上領域に大転子から右大腿骨の表面にcraniolateralを実行して、皮膚を通して3〜4センチメートル（ 図1B）のおおよその切開を行います。穏やかな解剖大腿筋膜を分離して、筋肉組織が切断されていないことを確認することによって大腿骨のシャフトを公開します。その後、（坐骨神経が保存されていることを確認して、 図1D）M.外側広筋およびM.大腿二頭筋を離れて分離し、大腿骨の全長を露出させたM.大腿筋膜張筋を持ち上げます。
8. 骨切り術の計画された領域に、FEから周囲の筋肉組織を解放することによって骨幹の途中領域に沿って大腿骨を準備MUR。まず、大腿骨の露出面に垂直なヒナーンエレベーターを入れ、その後、隣接する領域の筋肉を解放し、メスを使用して起動します。
   1. 前進前進させることにより継続し、周囲の筋肉組織のすべてが（欠陥が作成されます）は、骨の全体の中央部分から解放されるまでは、骨の表面に近い滞在、大腿骨の周りに移動し、筋肉組織が完全に洗浄される骨から。これを行うが、それはすべての主要な血管を切断回避するために、骨表面に近い滞在することは非常に重要である。
9. 5ミリメートルの大きな骨欠損のために、内外側方向きの骨の周りジーリワイヤーソー（0.22ミリメートル）のループ2個（ 図1E、F）。ワイヤーをループした後、位置1の膝関節に近い大腿骨の遠位側の駒や、股関節に近い近位側の第二の部分を見ました。クランプジーリワイヤはS字状に湾曲解剖とligatを使用して、それぞれの側に作品を見ましたURE鉗子、それが意図した場所に留まるようにします。シングルカットの骨切り術が計画されている場合は、唯一のワイヤーソーの一枚を使用しています。
10. インプラントの正確な位置を決定するためのテンプレートとして外部固定プレートを使用してください。創外固定器の位置は、大腿骨の中心に可能な限り近くなければならない。
    1. 骨の前外側表面に外部固定プレートを置きます。これは、外部から大腿骨を回転させることによって達成される。その位置では、軟組織層は、創傷が閉じられた後に固定具プレートの下に過剰な軟組織の緊張を防止す​​る、その最薄である。
    2. その後、少しプレートの穴が骨表面に集中していることを確認するために、骨の表面から外部固定プレートを持ち上げます。それは骨の長軸に平行に滞在するための小型のクランプで外部固定具を持ち、その後、0.79と、大腿骨の近位側に第一ホールをpredrillする電動工具やハンドドリルを使用mmのドリルビット。前進前進する前に、ドリルビットの先端がまだ骨表面の中央に配置されていることを確認してください。
    3. ドリルの先端が滑り続ける場合は、最初のホールの位置を中央にします（ 図8F）1.00ミリメートルカウンターシンカーを使用しています。カウンターシンカーは、残りのすべての取り付けピンを配置するために使用されるべきである。これは骨の表面に対してドリル穴の完全な位置合わせ及び固定器プレートが保証されます。

SAWガイドを使用した3創外固定器移植法

1. 創外固定器のプレートは、鋸ガイドでそれをクリッピングする前に、上下逆にマウントされていないことを確認してください。プレートの穴の大きさを比較することによってこれを決定します。正しい側を上に向けて大きな穴の直径がある。固定器内の穴の大きさの差が明確でない場合は、カウンターシンカーを使用しています。
   1. 上の穴の一つにカウンターシンカーの先端を挿入しますカウンタシンカーを容易に、これは固定具の上面で穴に収まる場合、カウンタシンカーの先端が収まらない場合は固定具プレートが、しかしながら、これは、固定具の下側で、かつ反転されなければならないそれに応じて移植するため。
      （ 重要：このような骨の長軸に対して垂直にドリルすることを確認し、骨表面に固定器の最適な向きを確保する最初のドリル穴の方向は、骨に固定器の最終方向を決定することを忘れないでください。取り付けピンは、同じ長さであり、固定器は、骨の縦軸に平​​行でない場合は、固定器と骨との間の距離があまり変化し、両方の皮質を貫通する4つのすべての取り付けピンの能力を妨げる可能性があります。）
   2. 向きが確認した後、鋸ガイド（ 図2A、B）上でプレートをクリップし、最初の予め穿孔穴ように骨にユニットをクリッププレート（ 図2C）上の第一ホールと位置合わせされる。穴の中に、第一の取付ピンを駆動するためにハンドドリルに挿入さ0.70ミリメートルの正方形のボックスレンチを使用してください。これを行うと、残りの取り付けピンの再現可能な位置決めを可能にするであろう。
   3. 最初の取付けピンが所定の位置にしたあとで、先端側の第一の取付ピンから最も遠い穴を開け、穴内に第2取付ピンを駆動します。 2真ん中の取り付けピンの注入順序は重要ではありません。

SAWガイドなしの4創外固定器移植法：

創外固定器のアプリケーションでは、鋸ガイドを用いずに行うことができる。鋸ガイドと一緒にユニットが骨（ステップ3.1）にクリップされるまで、外部固定注入の開始のステップアップと同じである。鋸ガイドを使用しない場合、それが中に正しい向きで固定器プレートを維持するために非常に重要であるアプリケーション全体手続き。大腿骨は、外部から前外側方向に回転させる必要がある。

1. それは骨の長手方向軸（ 図3A）と平行になるように、小さなクランプまたはS字状に湾曲解剖結紮鉗子で外部固定プレートを持ちます。固定具の配置を決定する第一の取付ピンの適用は、従って、骨の回転が第1ピン（ 図3B）に挿入されるまで保持されなければならない。第一のピンが所定の位置にした後、慎重にドリルガイドとして機能している固定具プレートを保持するために鉗子を使用しています。
2. 二穴にドリルビットを挿入します-これは計画された骨切りギャップ（ 図3C）に最も遠位の穴である。掘削する前に、第2の穴は、第一ホールと同じ方向性を持っていることを確認してください。また掘削が完了した後、両方の皮質を貫通していることを確認します。
3. 0.70ミリメートルの正方形BOを挿入Xハンドドリルにレンチ、その後先端に取付けピンを挿入します。慎重に最初予め穿孔穴の位置合わせを失うことなく、外部固定具のプレートに挿入します。
4. とすぐ先端が骨と接触するように、連続的な軸方向荷重の下でレンチを回す開始ハンドドリルの近位端に適用した。約5フルターン後、取付ピンの近位端のスレッドが外部固定板の体をキャッチすることを確認します。このスレッドは、システムをロックします。骨の糸の端が骨（ 図3D）の上面に近いとき回し停止します。
5. ほとんどの遠位端と近位側のピンが所定の位置に配置した後、残りの二つの真ん中の穴をpredrill。 2中間ピンの注入順序は、（ 図3C）は重要ではありません。
6. 創外固定器が配置された後、0.22ミリメートルジリワイヤを使用する部分欠損（Figurを作るために鋸ガイドによって導か見電子の4A）。後者の方法が選択されると、鋸ガイドは、欠陥を行う前にクリップされる。
   1. このために、0.22ミリメートルジーリワイヤーを渡す時に生理食塩水を分配するために5ミリリットルの注射器を使用します（十分な灌漑を利用した（ 図5B）を前後に往復運動することにより、5mmの分節欠損を作成し、大腿骨（ 図5A）の下に2溝を通って見ました欠陥の作成時）。軟組織への損傷を避けるために、骨切り術を完了した後に一側に骨にソーワイヤー近くを切断する。鋸ガイド（ 図4B）を取り外します。
7. 欠陥や骨切り術が作成された後、鋸ガイドを削除して、層中の傷、筋肉最初（ 図4C）、その後、皮膚（ 図4D）を閉じる。傷口が閉じられる前に、研究プロトコルで計画通り、欠損を扱う。筋層とEthibondのビクリル縫合糸4-0を用いて、大腿筋膜、及びエチコンモノクリル3-0秒を用いて皮膚を閉じるuture。傷を縫合しながら、非滅菌表面上の縫合糸材料をドラッグすることは避けてください。注：かむ傷を避けるために、縫合糸は、下インプラントの遠位に終了することはできません。同様に、皮膚接着剤の代わりに縫合糸を用いることもできる。
8. 最初の三つの術後の日には、ラットの鎮痛剤を24時間毎に12時間毎に抗生物質を与える。もちろん、薬の術後療法は（薬物仕様説明書を参照してください）​​、各研究者によって使用される薬剤のメーカーやブランドに依存して変化する。
9. 彼らは麻酔から回復し、だけにして、住宅施設に戻すことを確認する手順の後に頻繁に動物を監視します。合併症がないことを確認するために、手術後の最初の数日間は孤独な住宅を提供します。
10. 必ず動物が痛みや苦痛ではありませんように、手術後、水、食物摂取量および体重を監視します。動物が減少した活動レベルが表示されている場合は、難易動き回る（可能なインプラントの失敗）、ataxi、ボサボサ脂っこい毛皮、目や鼻の穴の周りのポルフィリン染色、猫背の姿勢、呼吸困難、食料や水の減少摂取などが獣医師に相談してください。

生体内では、外部固定具剛性の変更5

1. 研究プロトコルは、 生体内での治癒過程固定器剛性の変化を必要とする場合、これはハンドドリルに装着0.5mm角レンチボックスを使用して、特殊なインターロックネジで固定接続要素を変更することによって達成される。この手順では、ラットを麻酔（プロトコル2.3を参照）、ステップ（ 図6A）の時に一度だけ（プロトコルに2.4参照）鎮痛を与える。
   1. 落ち着いた後、ラット、および組み立て固定器の側面に取り付けられ、連動ネジに0.50ミリメートルの正方形のボックスレンチの先端を挿入し、ピンが半分アウトになるまで、それを反時計回りに回し、慎重に開始した（ 図6B ）。この部分が完了すると、外部固定プレート（ 図6C）の同じ側にある第二のピンのための手順を繰り返します。
   2. 同じ側の両方のピンが出て半分の方法である場合には、穏やかな運動（ 図6D）と反対側の接続要素を削除する鉗子またはクランプを使用しています。それは、その後のターンの追加のカップルを行わない場合は、接続要素は、インターロックねじの先端が接続要素に埋め込まれていないことを確認するために、両方のインターロックネジで、簡単にオフに来る必要があります。
   3. 接続要素が除去された後、削除された1（ 図6E）の代わりに、所望の剛性接続要素をスライドさせ、反対側から四角いボックスレンチを使用して、インターロックネジが反対側に出半分になるまで回し始める（ 図6F）。第2連動ネジ（ 図6G）に同じ手順を繰り返します。重要：番目（私は、図6H）接続要素を交換した側の内外連動ネジが半分であることを確認するために、プレートの反対側への切り替えが必要になりますされている。
   4. この部分が正常に完了した後、第二の接続要素（ 図6J）を削除し、その反対側（ 図6K）に置き換えたものと同じ剛性接続要素と交換してください。第二の接続要素が配置された後、インターロックスクリューエンドプレートの反対側から出るまで、インターロックスクリューを駆動開始し、インターロックスクリュー先端がそれぞれの側（ 図6L）で同じ量を出た。第2連動ネジ（ 図6M、N）に対して同じ手順を繰り返します。この手順は、完了するのに約15分かかります。

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結果

設計仕様

外部固定システムとラットの大腿骨の安定化は、0.5〜5ミリメ​​ートル切り術の作成が可能になります。 、、、シンプルな再現性があり、調整可能なデザインを提供しています - チタン - アルミニウム - ニオブ合金（[取り付けピン] TAN） - 創外固定器システムは、ポリエーテルエーテルケトン（[本体] PEEK）製のロックされた外部固定具である4つの異なる剛性で?...

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ディスカッション

大型骨欠損を作成するための外科処置の最も重要なステップは次のとおりです。1）外部固定器のサイズに合わせてラットの適切な体重を選択すること; 2）手術中に無菌環境を維持すること; 3）外科的処置のプロトコルを、以下の。

本研究の主な目的は、設計、製造、ラット大腿大きな欠陥モデルのための新しい、可変剛性創外固定器を特徴付け、そして治癒過程の生物?...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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
1 cc 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)