뼈 이식 앵커리지 평가하는 향상된 기계적 시험 방법

요약

후보 임플란트 표면에 테스트 뼈 고정 장치를 기계적으로하는 개선 된 방법이 제공됩니다. 이 방법은 정확하게 수직 또는 병렬, 임플란트 표면의 평면에 중단 힘의 정렬이 가능하고, 정확한 임플란트 지역으로 중단 힘을 지시하는 정확한 방법을 제공합니다.

초록

재료 과학의 최근 발전은 마이크로 및 나노 크기의 두 임플란트 표면의 지형의 복잡성에 상당한 증가를 이끌고있다. 표면 거칠기, 즉 수치 결정 - - 임플란트 표면을 설명하는 등, 전통적인 방법으로 생체 성능을 예측하기위한 불충분하다. 생체 역학 시험은 생체 재료 표면의 성능을 분석하기 위해 정확한 비교 용 플랫폼을 제공한다. 후보 임플란트 표면에 뼈의 고정 장치를 테스트하기 위해 개선 된 기계적 시험 방법이 제시된다. 이 방법은 치료의 모두 초기 및 후기 단계에 적용 화학적 또는 기계적으로 변형 된 표면의 범위에 이용 될 수있다 -하지만 부드러운없는 표면. 정의 직사각형 임플란트는 남성의 Wistar 쥐의 원위 대퇴골의 양측에 배치하고 주위의 뼈를 수집하고 있습니다. 시험편 준비 및 소설 이탈 금형 및 중단을 사용하여 화분된다시험은 기계적 시험기를 사용하여 수행된다. 이 방법은 정확하게 수직, 또는 병렬, 임플란트 표면의 평면에 중단 힘의 정렬이 가능하고, 테스트를 위해 정확한 임플란트 영역을 분리하는 정확하고 재현성있는 방법을 제공합니다.

서문

골내 임플란트 표면에 뼈의 정박을 평가하는 것은 많은 기계적 시험 방법은 ^1,2 설명되어있는, 상당한 관심의 초점을했습니다. 이러한 모든 방법이 사용되는 뼈 / 임플란트 모델을 방해 할 수있는 힘을 부여하고, 광범위하게 가위로 분류 할 수 있으며, 일반적으로 푸시 아웃으로 표시 또는 철수 모델 ^3,4, 토크 ^{3,5 반전,} 인장 유형 ^{6, 7.} 일반적으로 뼈 ⁸ 임플란트 재료 (부서지기 쉬운 유리 및 세라믹 ^9,10의 경우), 뼈 / 임플란트 인터페이스 유적 (적어도 부분적으로) 손상을 발생 골절과, 앵커리지의 형태를 가정 한 것입니다 하나 이러한 테스트에서. 이러한 실험 결과는 단지 모델의 골절 (또는 분열)을 유발하는 데 필요한 힘이 뼈 / 임플란트 인터페이스에게 ^11,12을 분리 시키는데 필요한 힘이 아니라고, 또한 생성 골절면의 복잡한 표면적 수있는 것은 에 불응정확한 측정. 그들은 뼈에 고정되는 : 서로 다른 표면 디자인의 임플란트의 능력의 비교 게이지를 제공하기 때문에 그럼에도 불구하고, 이러한 테스트는 임상 적으로 관련이있을 수 있습니다. 소주 또는 피질골 모델을 치유하고, 다른 기계, 그러나, 그것은 또한 조사관 층상 또는 길쌈 된 뼈 하나를 나타내는 다른 동물 종을 사용하기 때문에 실험 모델 간의 비교가 어려움을 내포하는 동안 이러한 비교는, 실험 모델 내에서만 유효 주목해야한다 시험 형상 및 조건.

뼈 / 임플란트 계면의 인장 강도의 측정 값을 도출하기위한 노력으로, 수많은 연구자는 인장 강도가 단위 면적당 힘으로 측정되기 때문에, "인장 강도"값을 도출하기 위해 임플란트의 공칭 표면적을 이용했다. 이것은 뼈 / 임플란트 인터페이스 붕괴 시험의 대부분이 고용에 그대로 남아 있음을 명확하게 상술 한 바와 같이, 주어진 근사ED. 그러나 로널드 외. ^13에서 논의 된 바와 같이 임플란트, 특히 지형적 복잡한 표면의 표면적을 측정하는 또, 측정 기술의 해상도에 의해 제한되고, Brunski 외. ^2, 심사로서 때 임플란트의 공칭 표면적 고려, 다른 임플란트 표면의 디자인과 관련 "인장 강도"의 명백한 차이는 높은 표면적을 가진 임플란트 표면이 뼈 / 임플란트 접촉의 큰 영역을 제공하여 모델을 파괴하기 위해 더 많은 힘을 필요로한다는 제안, 부정된다. 의미는 따라서 더 많은 지형적으로 복잡한 표면 큰 뼈 임플란트 접촉 (BIC) 결과 접촉 골 형성을 증가 및 기계적 시험에서 더 높은 중단 값의 결과물 할 수 있다는 것입니다. osteoconduction 및 골 형성 : 연락처 골 형성은 두 가지 현상의 제품입니다. 사실, 우리는 토포에 osteoconduction에 증가하는 것으로 나타났습니다ically 복잡한 표면은 결과 BIC ^(14)을 측정하여 정량화하고 표면도 높은 기계적 중단 ^{(12) 값의} 원인이 될 수있다.

그러나, 임플란트 뼈는 두 가지 메커니즘에 의해 형성 할 수있는 것을주의하는 것이 유익한 것입니다. 중간 엽 기원의 접촉 골 형성 세포에서 임플란트 표면 (osteoconduction)로 이주, 뼈 세포로 분화하고, 임플란트 표면 (골 형성)에 새로이 뼈 매트릭스 정교한. 정교 첫 번째 뼈 매트릭스는 ^{15 개조} 정상적인 뼈에서와 같이 광물 시멘트 라인 (때로는 ¹ 않은 광물 뼈 ^(16)의 모든 인터페이스와 syncretized되는 것으로 생각이 광물 생물학적 구조에 관한 문헌에서 많은 혼란이 - 이 주제에 대한 논의 데이비스 호세 이니 ^(17))를 참조하십시오. 연락처 골 형성은 뼈의 현상을위한 필수적인 전제 조건입니다본딩,하지만 뼈 안쪽으로의 성장 ¹⁸ 불필요한이다. 뼈의 광물 시멘트 라인은 뼈 ^(19)의 광물 콜라겐 함보다 기계적으로 약하다. 임플란트 나노 기능 시멘트 라인 매트릭스의 맞물가 매크로 임플란트의 특징에 성장 뼈 조직과 비교되고있는 경우, 직관적으로, 다음 이전을 방해하기 위해 필요한 기계적인 힘이 합리적으로, 우리는 후자보다 작을 것으로 예상 될 것이다 최근 실험적으로 ^12이 증명하고있다.

임플란트 뼈는 거리 골 형성에 의해 형성 할 수있다. 이 경우, 뼈는 오래된 뼈 표면에 증착하고 단계적 접근 비정질 매트릭스 및 조골 세포 ^(20)의 나머지를 포함 인터페이스 초래 임플란트 표면에 붙어있다. 일반적으로, 거리 골 형성은 매끄 럽거나 가공, 골내 임플란트 표면과 연결되어 종종 피질골 치유 볼 동안 microtopographica베드로 복잡한 표면은 소주 골의 치유의 더 많은 전형적인 접촉 골 형성과 연관됩니다. 부드러운 임플란트 표면과 피질골 치유를 사용하여 인장 시험 모델은 지형적으로 복잡한 표면과 관련된 접촉 골 형성이 비정질 생물학적 매트릭스 부재의 접착 성을 테스트 할 수 있었다, 그리고 발생하는 소위 "생화학"접합을 제공하는 것으로 나타났습니다 지형적으로 복잡한 표면 ^{(21)에보고} 된 "인장 강도"값의 작은 구성 요소입니다. 반대로, 소주 골의 치유 모델을 사용하여, 웡 등. ^(22)은 임플란트 표면 거칠기 및 푸시 아웃 실패 부하 사이의 "우수한 상관 관계를"보여, 화학 결합이 실제로 임플란트에 뼈의 앵커리지 무시할 역할을 한 것으로 나타났다 면. 그것은 접촉과 거리 골 형성 모두 모두 골내 요정 impla에서 각기 다른도에 발생할 가능성이 있지만구획을 치유 microtopographically 복잡한 표면 자체가 소주 뼈 치료에 특히 유리한 것으로 나타났습니다 NT ^(23)을 구획. 후자는 치과 문헌 ^24의 클래스 III 또는 클래스 IV 뼈로 분류됩니다.

우리의 목적은 접촉 골 형성의 메커니즘과 소주 골 치유 환경에서 계속 일어날 수있는 결과 뼈 / 임플란트 앵커리지에 집중하고있다. 임플란트 표면의 지형에 따라 달라집니다이 앵커리지 (위 참조), 다른 스케일 범위에서 발생할 수 있습니다. 이러한 표면과 뼈 시멘트 라인 매트릭스의 맞물에 의해 설명 된대로, 및 생체 활성 유리, 세라믹, 그물 모양의 금속 산화물에서 볼 - 한 손으로 만 서브 마이크론 임플란트 기능은 뼈 접합에 연루되어있다. (혈액 혈관 때로 완료) 다른, 뼈 조직에 멀티 미크론으로 성장, 또는 매크로 스케일, 임플란트의 특징은 표면 ⁽¹⁸⁾ 할 수 있습니다. 경우 입술 모두임플란트 표면에 뼈 앵커리지의 형태로 ULT, 메커니즘은 분명 다르지만. 그러나, 위에서 언급 한 기계적 테스트 방법의 대부분의 일반적인 실패는 (인장 또는 전단 모드를 사용하는지에 따라) 임플란트 표면의 것과 정확히 수직 또는 평행 한 평면에서 분열 력을 정렬하는 것이다. 우리는 여기에서이 제한을 극복하는 방법을보고한다.

프로토콜

1. 이식 디자인, 제조 및 표면 처리

1. 상용 순수 티타늄 (cpTi)에서, (길이 x 폭 x 높이 크기 4mm X 2.5 mm X 1.3 mm) 직사각형 임플란트 제조. 수술 부위 및 후속 기계적 시험 (도 1) 내에서 초기 임플란트 안정성을 촉진하기 위하여 중앙에서 임플란트 (직경 = 0.7 mm)의 장축의 아래 구멍을 드릴.
2. 임플란트의 상부 및 하부 표면을 치료.
   1. , 두 가지면을 만들 microtopographically 복잡한 표면을 생성하기 위해 표준 모래 분사 (GB) 처리를 사용합니다. 또한 인산 칼슘 (CAP)를 중첩하여 임플란트의 절반을 수정하는 것은 nanotopographically 복잡한 표면을 생성하는 나노 입자.

각종 화학 또는 기계적 처리가 원하는 표면 지형 및 / 또는 화학 물질을 생성하기 위해 적용 할 수 있고, 이러한 실험 questi의 성질에 의존 할 것이다 : 참고해결해야하기에. 복잡한 microtopography을 만들 수 - 감산 과정 - 여기에 제공된 예에서, 상업적으로 순수 티타늄 (cpTi) 임플란트의 한 그룹이 모래 분사 (GB)을 실시 하였다. 임플란트의 절반은 다음 추가로 최고 부과 나노 토포 그래피 (GB-DCD)을 만들 인산 칼슘 (캡) 나노 결정의 추가에 의해 수정되었습니다.

참고 : 모래 폭파 마이크로 표면을 볼 때, 수정 된 나노 표면에 비해 10,000 배 확대, 표면 특성에 명백한 차이가 없습니다. 10 X 배율에서 볼 경우에는, 차이는 (그림 2) 매우 분명됩니다. 이것은 이전과 같은 표면 변화가 osteoconduction ^14에 깊은 영향을 미칠 것으로 나타났습니다.

2. 동물 모델 및 수술

1. 이 모델에 대한 젊은 남성의 Wistar 쥐 (200-250그램)를 사용합니다. 모든 절차는 지역 동물 보호 컴의 승인을 받아야한다mittees. 동물에게 물과 쥐 차우에 무료로 액세스 할 수 있습니다.
   주 : 쥐의 다른 변종이 채용 될 수 있지만 위 스타 쥐가, 때문에 쥐의이 긴장과 사전 경험이 절차를 선택했다. 음식 및 물에 대한 접근은 어드레스되는 실험 질문의 특성에 따라 변경 될 수있다.


2. 진정 코 콘 통해 관리 흡입 마취를 사용하여 쥐 : 유도 1 LO ₂ / 분에서 4 % 이소 플루 란, 1 L의 질소 산화물 및 유지 보수 0.6 LO ₂ / 분에서 2 % 이소 플루 란. 절차를 계속 진행하기 전에 효과적인 진정 작용을 보장하기 위해 표준 발가락 핀치 테스트를 실시한다.
3. 진통 전 및 수술 후 0.01 ~ 0.05 ㎎ / ㎏ 부 프레 노르 핀의 피하 주사를 통해 관리 할 수​​ 있습니다.
4. 일부 무작위로 임플란트를 지정하고 쥐 대퇴골의 말단 metaphyses에 양측 배치합니다. 이것은 다른 표면 지형의 선택에서 다른 임플란트에 하나씩 비교 할 수 있습니다D, 반대측 대퇴골에서, 통계 분석을 최적화 할 수 있습니다.
5. 10 % 베타 딘 각 뒷다리의 전후면 측면 측면을 면도하고 청소 동물을 준비합니다. 저체온증을 방지하기 위해, 마취 된 쥐의 아래에 따뜻한 물 순환 패드를 배치합니다.
6. # 15 수술 메스를 사용하여 근육을 노출 허벅지의 측면 측면을 따라 피부를 통해 절개를합니다. 최소 침습적 방법으로 근육의 시체를 편향 무딘 절개를 사용하여 대퇴골 노출.
7. 완전히 드릴링 피질골을 노출, 골막 엘리베이터를 사용 대퇴골을 덮는 골막의 얇은 층을 얻어 긁어. 케어는 무딘 절개와 골막 제거하는 동안 무릎 관절의 성장판이나 관절 연골이 손상되지 않도록주의해야합니다.
8. 일단 청소 및 검사, 대퇴골 원위부 (그림 3A)의 전방 측면을 노출 옆으로 대퇴골 회전.
9. 수술 부위를 준비하려면, 드릴둘 피질을 통해 뼈의 미들 bicortical 직사각형 슬롯. 조직의 과열을 방지하기 위해 염분 관개 수술 조수 드릴링 동안 유지해야합니다. 세 단계로 훈련을 실​​시 :
   1. 첫째, 떨어져 대퇴골의 중간 선을 따라 두 개의 구멍 2.5 mm를 만들 수있는 치과 핸드 피스에 장착 된 1.3 mm 치과 버를 사용하여 절개에 의해 노출되는 전방 피질을 통해 드릴.
   2. 다음으로, bicortical 병렬 구멍의 결과로, 상대 피질을 통해 이러한 구멍을 확장하기 위해 두 번째 드릴 비트 (트위스트 1.3 mm 치과 버)를 사용합니다.
   3. 마지막으로, 임플란트 (도 3B)에 대한 사이트를 형성하는 근위-말단 방향으로 제 지정 사이드 절단 숫돌을 사용하여 구멍을 조인.
10. 부착 된 바늘을 이용하여 골 결손을 통해 생분해 성 봉합사를 통과하고, 외부 대퇴 피질의 주위에 돌아갑니다.
11. w, 봉합사의 자유 단부를 통해 임플란트 쓰레드 및 결함에 안내여기 압력 장착해야합니다. 이러한 방식으로, 임플란트의 장축은 대퇴골 (도 3c)의 장축에 수직으로 배향 될 것이다.
12. 수술 후 회복과 치유의 초기 단계에서 임플란트 안정성을 제공하기 위해 대퇴골의 측면 측면 주위의 봉합을 묶어. 근육 조직을 닫 나머지 봉합사를 사용하고, 수술 스테이플 (9mm의 상처 클립)를 사용하여 피부 조직을 reoppose.
13. 감염의 징후 외과 사이트를 검사하고 손상된 보행 능력을 매일 동물을 모니터링 할 수 있습니다. 완전 보행을 복구하지 않는 동물, 또는 분석에서, 희생 대퇴 골절이 그 사람들을 제외합니다.

3. 샘플 수확

1. CO ₂ 노출 후 경추 탈구로 수술 구일에서 동물을 제물로 바친다.
2. 희생에, 대퇴골 및 연부 조직의 깨끗한 분리. 조직 (H)을 유지하기 위해 15 % 수 크로즈 완충액에 바로 저장할기계적 시험 (그림 4A)위한 준비 ydration.
   참고 : 시편이 시설 사이의 수송 도중 조직의 수분을 유지하기 위해 크로스 완충 용액에 저장됩니다. 시편은 기계적 시험을 준비하는 동안 용액에 약 2 ~ 3 시간을 보낼 것입니다.


3. 기계적 시험을위한 표본을 준비하기 위해, 고속의 시스템에 연결된 원통형의 다이아몬드 숫돌을 이용하여 임플란트의 폭에 뼈 트림. 최종 시험편은 임플란트 (그림 4B)의 각면에 부착 된 뼈의 두 개의 아치로 구성되어 있습니다. 준비 또는 운송 중에 떨어 아치를 들어, 0 N.의 기계적 시험 값을 할당
   주 : 시험편을 트리밍 할 때 손상이나 압축 응력 인터페이스를 피하기 위하여, 매우 부드럽고 정확한 것이 중요하다. 뼈 수복 캘러스 임플란트의 긴 축을 중심으로 심지어 종 구멍으로 증가 할 수 있습니다. 이러한 여분의 뼈는 배출량에 의해 제거해야합니다그것이 기계적 테스트 결과가 왜곡 수 있듯이, 직사각형 임플란트의 정확한 크기로 시험편을 mming.

4. 기계적 시험

사용자 지정 이탈 형은 각각의 표본은 기계적 테스트를 위해 샘플을 준비하는 반복 가능하고 정확한 방법을 만들어 냄비에 설계되었습니다. 직접 임플란트 표면에 수직 인 힘의인가를 허용 포팅 공정 중에 중심 시험편 완전히 가로 채 설계는 일관성 검사 영역에 대한 임플란트 뼈의 0.5 mm 영역의 격리를 허용한다. 완전한 기술 설계 도면과 최종 구성 요소 그림 6은 그림 5를 참조하십시오.

주 : 실시보기 / 분 30mm의 크로스 헤드 속도로 작동하는 기계적 시험 장치를 사용하여 테스트. 잔류 뼈 다음 시험의 질적 평가를 위해, 해부 현미경을 사용할 수있다.

1. 포팅시편 및 기계적 시험의
   1. 크로스 완충 용액 부드럽게 얼룩 건조에서 표본을 제거합니다.
   2. 사용자 정의 형의 위치 표본. 수평 주형의 벽에 구멍을 통해 임플란트의 중간에있는 구멍을 통해 핀을 밀어. 임플란트 (그림 7) 안정화 금형의 후방 측의 안정화 판을 놓습니다.
   3. 유동 치과 복합으로 몰드의 기부를 채우고 고강도 경화 광을 사용하여 60 초 동안 경화.
      참고 : 생성과 같은 열이 조직의 특성에 영향을 미칠 수 있으므로, 발열 반응으로 설정하지 않는 복합을 선택하는 것이 중요합니다.
   4. 경화 후, 형을 열어서 경화 시편 블록을 제거한다. 식별을 위해 측면 아치에 영구 마커에 검은 색의가는 선을 그립니다.
   5. 반대의 시험편의 조립식 복제 문제를 해결하고, 기계적 시험 기기의 기초에 단위를 중심으로.
   6. 부사장으로 표본을 확보하고 임플란트의 구멍 (그림 8)를 통해 나일론 줄을 전달합니다. 이동 크로스 헤드의 중앙에 느슨한 끝을 연결합니다. 일관성을 유지하기 위해 항상 라벨을 먼저 측면을 테스트합니다. 내측 아치 과정을 반복합니다.

결과

모든 동물은 수술에서 자신의 회복 다음 시간에 자신의 보행 활동을 증가했다. 우리는 최근에 ^12를보고 것처럼 부하가 서로 다른 스케일 범위의 지형에 차등 효과를 가지고 있기 때문에 중요합니다. 기계적 시험을 다음 시험편을위한 대표적인 힘 / 변위 곡선은도 9a에 제시되어 있으며, 각 임플란트 표면에 대한 평균 데이터는도 9b에 제시되어있다. 각 시험편에 의...

토론

및에 파괴 구역을 제한 그것은 정확한 수직 대 또는 병렬 적용된 중단 력의 축과 시험 샘플의 배향 수 있기 때문에 여기에 제시된 기계적 시험 모델은 후보 임플란트 표면에 뼈의 앵커리지를 평가하는 개선 된 방법을 제공한다 임플란트 표면의 절반 mm 이내. 이 모델은 쉽게 화학적 또는 기계적으로 변형 된 표면의 모든 범위의 효과를 비교하는 연구에 포함입니다 만,이 쉽게 조작 표본 동안 뼈에?...

자료

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