Um método melhorado Ensaios Mecânicos para Avaliar osso-implante Anchorage

Resumo

Uma melhor método para mecanicamente teste ancoragem óssea para superfícies de implantes candidatos é apresentada. Este método permite o alinhamento da força de ruptura exactamente perpendicular, ou paralela, em relação ao plano da superfície do implante, e proporciona um meio preciso para dirigir as forças de rompimento para uma região peri-implante exacta.

Resumo

Os recentes avanços na ciência dos materiais, levaram a um aumento substancial na complexidade topográfica da superfície do implante, tanto em um micro-e nano-escala. Como tal, os métodos tradicionais de descrever superfícies de implantes - Determinantes nomeadamente numéricos de rugosidade da superfície - são insuficientes para prever o desempenho in vivo. Teste biomecânico fornece uma plataforma precisa e comparativa para analisar o desempenho de superfícies de biomateriais. Um método melhorado de ensaios mecânicos para testar a ancoragem do osso sobre superfícies de implantes candidatos é apresentada. O método é aplicável a ambas as fases iniciais e posteriores de cura e pode ser utilizado para qualquer gama de superfícies quimicamente ou mecanicamente modificados - mas não as superfícies lisas. Implantes personalizados retangulares são colocados bilateralmente no fêmur distal de ratos Wistar machos e recolhidos com o osso circundante. Corpos de prova são preparados e vaso usando um romance molde separatista ea perturbaçãoensaio é realizado com uma máquina de ensaios mecânicos. Este método permite o alinhamento da força de ruptura exactamente perpendicular, ou paralela, em relação ao plano da superfície do implante, e proporciona um meio preciso e reprodutível para isolar uma região peri-implante exacto para o teste.

Introdução

Avaliando a ancoragem do osso sobre superfícies de implantes endosseous tem sido o foco de considerável atenção, para o qual muitos métodos de teste mecânicos têm sido descritos ^1,2. Todos estes métodos de impor uma força para romper o modelo de osso / implante a ser empregue, e pode ser agrupadas em cisalhamento, geralmente apresentado como de extracção ou modelos de pull-out ^3,4, inverter binário ^3,5, e os tipos de tracção ^{6, 7.} Geralmente, em tais testes, quer de osso ou de materiais de implante ⁸ (no caso de vidros e cerâmicas quebradiças ^9,10) é fracturada e, assumindo alguma forma de fixação tenha ocorrido, os restos de interface osso / implante (pelo menos parcialmente) intactos. Tais resultados experimentais significa não só que a força necessária para provocar a ruptura (ou ruptura) do modelo não é a força necessária para separar a interface osso / implante ^11,12, mas também que a área de superfície complexa do plano de fractura criada pode ser refratária aomedição precisa. No entanto, tais ensaios podem ser clinicamente relevante, uma vez que proporcionam um medidor comparativo da capacidade de implantes de diferentes desenhos de superfície a ser ancorado no osso. No entanto, também deve-se notar que tais comparações são válidas apenas dentro de um modelo experimental, enquanto que as comparações entre os modelos experimentais são repleto de dificuldades desde investigadores usam diferentes espécies de animais exibindo ou lamelar ou tecido ósseo; trabecular ou osso cortical modelos de cura, e diferente mecânico geometrias e as condições de teste.

Em um esforço para obter uma medição da resistência à tracção na interface osso / implante, muitos investigadores têm utilizado a área de superfície nominal do implante, para derivar um valor de "força de tracção", uma vez que a resistência à tracção é medida como a força por unidade de área. Isto é claramente uma aproximação dada, conforme explicado acima, de que a interface osso / implante permanece intacta em muitos dos ensaios de desregulação empregared. Além da medição da área da superfície dos implantes, particularmente em superfícies topograficamente complexas, é limitada pela resolução da técnica de medição, como discutido por Ronald et al. ¹³ No entanto, tal como revisto por Brunski et al. ^2, quando a área superficial nominal de um implante é tomado em consideração, as diferenças aparentes na "força de tracção" associado com diferentes desenhos de superfície de implante são negados, sugerindo que as superfícies de implante com maior área de superfície proporcionam maiores áreas de contacto com o osso / implante e, consequentemente, exige mais força para fracturar o modelo. Assim, a implicação é que mais topograficamente complexa superfícies podem aumentar o contato osteogênese, o que resulta em maior contato osso implante (BIC) e valores resultantes de ruptura mais elevadas em testes mecânicos. Contato osteogênese é o produto de dois fenômenos distintos: osteocondução e formação óssea. Na verdade, temos mostrado que aumenta de osteocondução em topógrafosuperfícies ticamente complexas possível quantificada medindo resultante BIC ¹⁴ e esses superfícies também resultar superior ruptura mecânica valoriza ^12.

No entanto, é salutar notar que o osso peri-implante pode formar através de dois mecanismos. Em células de contacto da osteogénese de origem mesenquimal migram para a superfície do implante (osteocondução), diferenciar-se em células de osso, e elaborar de novo na superfície da matriz óssea do implante (formação do osso). A primeira matriz óssea elaborado é uma linha de cimento mineralizado como visto na remodelação óssea normal ¹⁵ (há muita confusão na literatura sobre esta estrutura biológica mineralizado que às vezes é pensado para ser un-mineralizado ¹ ou é sincretizado com todas as interfaces no osso ¹⁶ - para uma discussão completa sobre este tema ver Davies e Hosseini ^17). Contato osteogênese é uma condição essencial para o fenômeno do osso-Ligação, mas não é essencial para o crescimento ósseo ^18. A linha de cimento mineralizado do osso é mecanicamente mais fraco do que o compartimento de colagénio mineralizado de osso ^19. Assim, intuitivamente, se a interdigitação de matriz de linha de cimento com características nano implante é em comparação com o tecido ósseo em crescimento em macro características do implante, então a força mecânica necessária para romper a primeira seria, razoavelmente, ser prevista para ser menor do que o segundo, e nós demonstraram recentemente esta experimentalmente ^12.

Óssea peri-implantar também pode formar por osteogênese distância. Nesse caso, o osso é depositado sobre a superfície do osso velho e torna-se progressivamente para mais perto da superfície do implante resultando numa interface compreendendo matriz amorfa e os restos de células osteogénicas ^20. Em geral, a osteogênese distância está associada a superfícies de implantes endósseos suaves, ou usinadas e é visto frequentemente na cicatrização do osso cortical, enquanto microtopographicasuperfícies lly complexos estão associados com o contato osteogênese que é mais típico de cicatrização óssea trabecular. Modelos de teste de tração, utilizando superfícies de implantes lisos e reparo ósseo cortical foram capazes de testar as propriedades adesivas deste amorfo ausente matriz biológica da osteogênese de contato associadas a superfícies topograficamente complexos, e têm demonstrado que a chamada união "bioquímico" que ocorre fornece uma componente menor dos valores de "resistência à tração", relatou com superfícies topograficamente complexas ^21. Pelo contrário, utilizando um modelo de cura de osso trabecular, Wong et al. Mostrou ²² "uma excelente correlação" entre o implante e a rugosidade da superfície de carga de extracção falha, e indicaram que a ligação química de facto um papel insignificante na ancoragem do osso para o implante superfície. Embora seja provável que tanto contato e osteogênese distância ocorrem, em diferentes graus, em todos endóssea peri-implant compartimentos de cura, superfícies microtopographically complexos têm se mostrado particularmente vantajoso na cicatrização óssea trabecular compartimentos ^23. Estes últimos são classificados como Classe III ou Classe IV osso na literatura dental ^24.

Nosso propósito foi o de concentrar-se nos mecanismos de contato osteogênese ea ancoragem óssea / implante resultante que pode acontecer em um ambiente de cura óssea trabecular. Esta ancoragem, que é dependente da topografia da superfície do implante (veja acima), pode ocorrer em intervalos de-escala diferente. Por um lado, apenas as características do implante submicrométricas estão implicados em osso de ligação - como descrito por interdigitação da matriz de linha de cimento ósseo com essas superfícies, e visto em vidros bioactivos, de cerâmica e óxidos de metal reticulado. Por outro lado, o tecido (por vezes completo com vascularização sanguínea) osso pode crescer em multi-micron, ou macro-escala, características do implante superfícies ^18. Ambos os casos result, em uma forma de ancoragem do osso à superfície do implante, embora os mecanismos são claramente diferentes. No entanto, uma falha comum da maioria dos métodos de testes mecânicos referenciados acima é alinhar a força de ruptura em um plano exactamente perpendicular, ou paralela à da superfície do implante (consoante o modo de tracção ou de corte é empregue). Relatamos aqui um método que supera essa limitação.

Protocolo

1. Implant projeto, fabricação e Tratamento de Superfícies

1. Fabricação implantes retangulares (dimensões 4 milímetros x 2,5 mm x 1.3 mm; comprimento x largura x altura) de titânio comercialmente puro (Ti cp). Perfurar um furo central para baixo ao longo eixo do implante (diâmetro = 0,7 mm) para facilitar a estabilidade do implante precoce no local cirúrgico e testes mecânicos posterior (Figura 1).
2. Tratar as superfícies superior e inferior do implante.
   1. Para criar duas superfícies diferentes, utilizar um tratamento padrão jacto de granalha (GB), para criar uma superfície microtopographically complexo. Além disso modificar metade dos implantes por meio da sobreposição de fosfato de cálcio (PAC) nanopartículas para criar uma superfície nanotopographically complexa.

Nota: Vários tratamentos químicos ou mecânicos podem ser aplicados para criar uma topografia da superfície desejada e / ou química, e estas irão depender da natureza do questi experimentalpara ser abordado. No exemplo aqui fornecido, um grupo de titânio comercialmente puro (Ticp) implantes foi submetida a decapagem com jacto de granalha (GB) - um processo subtractivo - para criar um microtopografia complexo. Metade dos implantes eram, em seguida, ainda modificado pela adição de fosfato de cálcio (PAC) nanocristais para criar um nanotopografia sobreposta (GB-DCD).

Nota: Durante a visualização de micro-superfície do grão a jacto, em comparação com o nano superfície modificada, em ampliação de 10.000 X, não há nenhuma diferença óbvia em características de superfície. No entanto, quando visualizado a 100.000 X ampliação, diferenças tornam-se bastante evidente (Figura 2). Foi previamente mostrado que tais modificações de superfície têm efeitos profundos sobre a osteocondução ^14.

2. Modelo Animal e Procedimento Cirúrgico

1. Use jovens ratos machos Wistar (200-250 g) para este modelo. Todos os procedimentos devem ser aprovados pelo cuidado com animal localcomitês. Permitir animais livre acesso à água e ração.
   Nota: ratos Wistar foram selecionados para este procedimento, devido à experiência prévia com essa cepa de rato, mas outras cepas de rato poderia ser empregada. O acesso aos alimentos e a água pode ser alterada, dependendo da natureza do problema a ser abordado experimental.


2. Ratos sedar usando anestesia inalatória administrado através de um cone de nariz: 4% de isoflurano em 1 LO ₂ / min para a indução, 2% de isoflurano em 1 L de óxido nitroso e 0,6 LO ₂ / min para manutenção. Realizar um teste toe-pitada padrão para garantir a sedação eficaz antes de continuar com o procedimento.
3. Administrar analgésico pré-e pós-operativamente através de uma injecção subcutânea de 0,01-0,05 mg / kg de buprenorfina.
4. Atribuir implantes por aleatorização parcial e coloque bilateralmente nas metáfises distais dos fêmures de ratos. Isto permite que um implante diferente, cada um a partir de uma selecção de diferentes topografias de superfície a ser comparard, em fémures contralateral, para optimizar a análise estatística.
5. Prepare os animais raspando e limpando o aspecto ântero-lateral de cada perna com 10% de Betadine. Para evitar a hipotermia, coloque uma almofada de circulação de água quente por baixo do rato anestesiado.
6. Usando um bisturi cirúrgico # 15, fazer uma incisão através da pele ao longo da face lateral da coxa, para expor o músculo. Exponha o fêmur distal com dissecção romba para desviar os corpos musculares de uma maneira minimamente invasiva.
7. Raspe a fina camada de periósteo que se sobrepõe ao fémur, utilizando-se um elevador periosteal, para expor completamente o osso cortical para a perfuração. Cuidados devem ser tomados para não danificar a placa de crescimento ou cartilagem articular do joelho durante a dissecção romba e remoção de periósteo.
8. Uma vez limpo e inspecionado, gire o fêmur lateralmente para expor a face anterior do fêmur distal (Figura 3A).
9. Para preparar o local da cirurgia, faça umranhura rectangular bicortical no meio do osso por meio de ambos os córtices. Para evitar o superaquecimento do tecido, irrigação salina deve ser mantida durante toda a perfuração por um assistente cirúrgico. Conduzir a perfuração em três etapas:
   1. Primeiro, perfurar o córtex anterior, exposta por dissecção, usando um 1,3 milímetros rebarba dental anexado a uma peça de mão dentária para criar dois furos 2,5 milímetros distante ao longo da linha média do fêmur.
   2. Em seguida, use uma segunda broca (torção 1,3 milímetros rebarba dental) para estender esses buracos através do córtex oposto, resultando em buracos paralelos bicorticais.
   3. Por fim, junte-se os furos com um terço de corte de lado rebarba personalizado no sentido proximal-distal, formando o local para o implante (Figura 3B).
10. Passe uma sutura biodegradáveis ​​através do defeito ósseo realizada com agulha acoplada e retornar ao redor do córtex femoral externo.
11. Passe o implante sobre a extremidade livre do fio de sutura e guiá-lo para o defeito, waqui deve ser montado à pressão. Desta forma, o eixo longitudinal do implante devem ser orientadas perpendicularmente ao eixo longitudinal do fémur (Figura 3C).
12. Amarre a sutura ao redor da face lateral do fêmur para fornecer estabilidade do implante durante a recuperação pós-operatória e estágios iniciais de cura. Utilizar a sutura restante para fechar o tecido muscular e o tecido cutâneo reoppose usando grampos cirúrgicos (agrafos 9 mm).
13. Inspecionar locais cirúrgicos para sinais de infecção, e monitorar os animais diariamente para a capacidade ambulatorial comprometida. Excluir os animais que não se recuperam totalmente deambulação, ou aqueles que têm fraturas de fêmur em sacrifício, a partir de análise.

3. Amostra colheita

1. Sacrificar animais aos 9 dias pós-operatórios por deslocamento cervical depois de exposição ao CO _2.
2. Após sacrifício, retire fêmures e limpa de tecidos moles. Armazenar imediatamente em solução tampão de sacarose a 15% para manter o tecido hydration na preparação para testes mecânicos (Figura 4A).
   Nota: As amostras são armazenadas em solução tampão de sacarose para manter a hidratação do tecido durante o transporte entre as instalações. Os espécimes vão gastar cerca de 2-3 horas em solução durante a preparação para o teste mecânico.


3. Para preparar os espécimes para os testes mecânicos, a guarnição do osso para a largura dos implantes usando uma broca de diamante cilíndrica ligado a um sistema de alta velocidade. As amostras de teste finais consistem de dois arcos de osso associadas a cada face do implante (Figura 4B). Para arcos que caem durante a preparação ou transporte, atribuir um valor de ensaios mecânicos de 0 N.
   Nota: É importante a ser muito suave e precisa ao aparar os espécimes, a fim de evitar a danificação ou a interface de pré-esforço. Calo ósseo reparador pode crescer ao redor do longo eixo do implante e até mesmo para o buraco longitudinal. Tal osso excesso deve ser removido por trimming amostras com as dimensões exatas do implante retangular, uma vez que pode distorcer os resultados dos testes mecânicos.

4. Ensaios Mecânicos

Um molde separatista personalizado foi projetado para pote cada espécime, a criação de um método reprodutível e preciso de preparação de amostras para ensaios mecânicos. A concepção permite que o isolamento de uma região de 0,5 mm de osso peri-implante para uma zona de teste consistente, enquanto mantém a amostra e centrado completamente na horizontal, durante o processo de envasamento, permitindo a aplicação de uma força directamente perpendicular à superfície do implante. Veja a Figura 5 para desenhos de engenharia completos e Figura 6 para os componentes finais.

Nota: Conduta Todos os testes usando um aparelho de ensaios mecânicos, operando a uma velocidade de 30 mm / min. Para uma avaliação qualitativa do seguinte teste de osso residual, um microscópio de dissecção podem ser utilizadas.

1. Envasamentodas amostras e Ensaios Mecânicos
   1. Retirar amostras da solução tampão sacarose e seco suavemente blot.
   2. Espécime Posição no molde personalizado. Deslizar o pino horizontalmente através de orifícios nas paredes do molde e através do buraco no meio do implante. Colocar a placa estabilizadora no lado posterior do molde para estabilizar o implante (Figura 7).
   3. Encher a base do molde com compósito dentário fluida e curar durante 60 segundos usando uma alta intensidade de luz de cura.
      Nota: É importante a escolha de um composto que não definida com uma reacção exotérmica, tal como o calor gerado pode influenciar as propriedades do tecido.
   4. Após a cura, abra o molde e remover o bloco da amostra endurecido. Desenhar uma linha preta fina no marcador permanente sobre o arco lateral para fins de identificação.
   5. Corrigir uma réplica pré-fabricada do corpo de prova em um vício, e centralizar a unidade na base do instrumento de ensaios mecânicos.
   6. Fixar a amostra no vício e passar uma linha de nylon pelo furo no implante (Figura 8). Fixar as extremidades soltas para o centro da cruzeta em movimento. Para consistência, sempre rotular e testar o lateral pela primeira vez. Repetir o processo com o arco medial.

Resultados

Todos os animais aumentaram sua atividade ambulatorial com o tempo após a sua recuperação da cirurgia. Isto é importante porque a carga tem efeitos diferenciados sobre topografias de faixas de escala diferentes, como já relatado recentemente ^12. Uma curva representativa de força / deslocação para os espécimes de teste seguintes testes mecânicos é apresentada na Figura 9A, e os dados médios para cada uma das superfícies do implante são apresentados na Figura 9B. ...

Discussão

O modelo de teste mecânico aqui apresentado fornece um método melhorado para avaliar a ancoragem do osso sobre superfícies de implantes candidatas, uma vez que permite precisas perpendicular, ou paralela, o alinhamento da amostra de teste com o eixo da força de ruptura aplicado, e limita a zona de fractura dentro de meio milímetro da superfície do implante. O modelo pode ser facilmente incorporado em estudos que comparam a eficácia de qualquer gama de, quimicamente ou mecanicamente, as superfícies modificadas, m...

Materiais

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