Улучшенная Механические испытания Метод для оценки костного имплантата Анкоридж

Резюме

Усовершенствованный метод для механической тест костной фиксации, чтобы кандидаты поверхностей имплантатов представлена. Этот метод позволяет выравнивания срыва силу строго перпендикулярно или параллельно, к плоскости поверхности имплантата, и можно точно направлять нарушения силы к точному периимплантной регионе.

Аннотация

Последние достижения в области материаловедения, привели к существенному увеличению топографической сложности поверхностей имплантатов, как на микро-и нано-масштабе. По существу, традиционные методы описания поверхностей имплантатов, а именно - численные детерминанты шероховатости поверхности - недостаточны для прогнозирования производительности естественных условиях. Биомеханические тестирование обеспечивает точное и сравнительный платформу для анализа производительности биоматериала поверхностей. Усовершенствованный метод механические испытания, чтобы проверить закрепление кости кандидатов поверхностей имплантатов представлена. Метод применим к обеим ранних и поздних стадиях заживления и может быть использован для любого диапазона химически или механически модифицированных поверхностей, - но не гладкие поверхности. Пользовательские прямоугольные имплантаты помещают на двусторонней основе в дистальной бедренной кости из самцов крыс Вистар и собирали с окружающей кости. Образцы для испытаний готовят и горшках с использованием нового отколовшийся плесени и разрушениеИспытание проводится с использованием механического испытательную машину. Этот метод позволяет выравнивания срыва силу строго перпендикулярно или параллельно, к плоскости поверхности имплантата, а также предоставляет точные и воспроизводимые средства для изоляции точную периимплантной регион для тестирования.

Введение

Оценка закрепление кости эндооссальных поверхностей имплантатов был в центре внимания пристального внимания, за что огромное механические методы тестирования были описаны ^1,2. Все такие способы наложить силы, чтобы нарушить модель кость / имплантат, используемой, и в целом можно разделить на сдвиге, обычно представлены в виде выталкивающего или выдвижные модели ^3,4, обратный вращающий момент ^3,5, и виды на растяжение ^{6, 7.} Обычно в таких тестах, либо костных ⁸ или имплантат материальных (в случае хрупких стекла и керамики ^9,10) ломается и, предполагая некоторую форму крепления произошло, интерфейс останки кости / имплантата (хотя бы частично) нетронутыми. Такие экспериментальные результаты имею в виду не только то, что сила, необходимая, чтобы вызвать перелом (или нарушением) модели не сила, необходимая для разделения интерфейса кости / имплантата ^11,12, но и, что комплекс площадь поверхности, созданной плоскости перелома может быть огнеупорныхточное измерение. Тем не менее, такие тесты могут быть клинически значимыми, так как они обеспечивают сравнительный датчик способности имплантатов различной конструкции поверхностных быть закреплен в кости. Однако, это также следует отметить, что такие сравнения являются действительными только в пределах экспериментальной модели, в то время как сравнение между экспериментальной модели чреваты трудности с исследователи используют различные виды животных, обнаруживающие любую пластинчатые или тканого трабекулярной кости; или кортикальной кости заживление модели, а также различные механические испытаний геометрия и условия.

В попытке вывести измерение прочности на разрыв интерфейса кость / имплантат, многие исследователи использовали номинальную площадь поверхности имплантата, чтобы получить значение "прочность на разрыв", так как предел прочности при растяжении измеряется как сила на единицу площади. Ясно, что это приближение задан, как описано выше, что интерфейс кость / имплантат остается неизменным во многих срыву испытаний используютиздание Кроме того, измерения площади поверхности имплантатов, в частности топографически сложных поверхностей, ограничивается разрешением измерительной техники, как обсуждалось Рональд и др. ^13. Однако, как отзывы на Brunski др.. ^2, когда номинальная площадь поверхности имплантата учитывается, очевидных различий в прочности на разрыв "", связанных с различными конструкциями поверхности имплантата инвертированы, предполагая, что имплантат поверхности с более высокой площади поверхности обеспечивают большие площади кости / имплантата контакта и, следовательно, требуют больше силы к разрушению модели. Поэтому подразумевается, что более топографически сложных поверхностей может увеличить контактную остеогенез, что приводит к большей контакта кость имплантата (BIC) и ведет к повышению значения нарушения в механических испытаний. Связаться остеогенез является продуктом двух различных явлений: остеокондукции и формирования костей. В самом деле, мы показали, что увеличивает остеокондукции на топограммечески сложных поверхностей может быть определена количественно путем измерения результирующего БИК ^14, и что такие поверхности также привести к увеличению механического разрушения значениями ^12.

Однако, это благотворное отметить, что имплантат костной ткани могут образовывать по двум механизмам. В контакт остеогенеза клеток мезенхимального происхождения мигрируют к поверхности имплантата (остеокондукции), дифференцироваться в клетки костной ткани, и разработать De Novo кости матрицу на поверхности имплантата (остеогенеза). Первый костлявая матрица разработана является минерализованная цемент линии, как показано на нормальной кости реконструкции ¹⁵ (имеется много путаницы в литературе относительно этого минерализованной биологическую структуру, которая иногда думал, что не-минерализованная ¹ или syncretized со всеми интерфейсами в кости ¹⁶ - для полного обсуждения этой темы см. Дэвис и Хоссейни ^17). Связаться остеогенез является необходимым условием для феномена костиСкрепления, но несущественно для врастания кости ^18. Минерализованная цемент линия кости механически слабее минерализованной коллагена отсеке кости ^19. Таким образом, интуитивно, если смыкание зубов цементного линии матрицы с функциями имплантат нано сравнивается с костной тканью роста в макро-функций имплантатов затем механическое усилие, требуемое для разрушения бывший бы, разумно, как ожидается, будет меньше, чем последние, и мы недавно продемонстрировали это экспериментально ^12.

Периимплантной кости могут также образовывать на расстояние остеогенеза. В этом случае, кости осаждается на старой поверхности кости и постепенно становится ближе к поверхности имплантата, в результате чего интерфейс, включающий аморфный матрицу и остатки остеогенных клеток ^20. В общем, расстояние остеогенез связано с гладкими или обработанных, эндооссальных поверхностей имплантатов и часто видели в корковой исцеления кости, в то время как microtopographicaLLY сложных поверхностей связаны с контактной остеогенеза, которая является более типичным для трабекулярной исцеления кости. Растяжение модели тестов с использованием гладких поверхностей имплантатов и корковой исцеление кости были в состоянии проверить адгезионные свойства этой аморфной биологической матрицы отсутствующим контактной остеогенеза, связанной с топографически сложных поверхностей, и показали, что так называемая «биохимическая" склеивание, что происходит обеспечивает минорный компонент из «Предел прочности на разрыв" значений, указанных в топографически сложных поверхностей ^21. Напротив, с помощью трабекулярную заживления модель кости, Вонг и др.. ²² показали "отличную корреляцию" между имплантата шероховатости поверхности и подтолкнуть выезда разрушающей нагрузки, и указал, что химическая связь действительно играл незначительную роль в рейде кости с имплантатом поверхность. Хотя вполне вероятно, что оба контакта и расстояние остеогенез происходит, в разной степени, во всех эндооссальных пери-IMPLAнт исцеления отсеков, microtopographically сложных поверхностей показали себя особенно выгодным в трабекулярной костной исцеления отделений ^23. Последнее относится к классу III или класса IV кости в стоматологической литературе ^24.

Наша цель в том, чтобы сосредоточить внимание на механизмах контактной остеогенеза и результирующей кости / имплантата крепления, которые могут наступить в трабекулярной среды костного исцеления. Это крепление, которое зависит от топографии поверхности имплантата (см. выше), может произойти в различных масштабных диапазонов. С одной стороны, только субмикронные особенности имплантатов вовлечены в костном-склеивание - как описано смыкание зубов костной цементной линии матрицы с таких поверхностей, и видно на биоактивных стекол, керамики и оксидов металлов сетчатые. С другой, костной ткани (иногда в комплекте с сосудистой крови) может вырасти в мульти-микрона, или макро-масштабе, особенности имплантата поверхности ^18. Обоих случаях разрешениеии в виде костной фиксации на поверхности имплантата, хотя механизмы явно отличаются. Тем не менее, общий недостаток большинства механических методов тестирования, на которые ссылается выше, чтобы выровнять с разрывом силу в точно перпендикулярной или параллельной плоскости, что и поверхности имплантата (в зависимости от того, используется при растяжении или сдвига режим). Мы сообщаем здесь метод, который преодолевает это ограничение.

протокол

1. Имплантат Проектирование, изготовление и обработка поверхности

1. Производство прямоугольные имплантаты (размеры 4 мм х 2,5 мм х 1,3 мм, длина х ширина х высота) из коммерчески чистого титана (CpTi). Просверлите отверстие по центру каждого длинной оси имплантата (диаметр = 0,7 мм) для облегчения раннего стабильности имплантата в месте операции и последующего механических испытаний (рис. 1).
2. Treat верхнюю и нижнюю поверхности имплантата.
   1. Чтобы создать два различных поверхностей, использовать стандартный пескоструйной обработкой (ГБ) лечение, чтобы создать microtopographically сложную поверхность. Далее изменить половины имплантатов путем наложения фосфат кальция (CAP) наночастиц для создания nanotopographically сложную поверхность.

Примечание: Различные химические или механические процедуры могут быть применены для создания желаемого топографии поверхности и / или химические, и они будут зависеть от природы экспериментальной Questiна решать. В приведенном примере в данном документе, одна группа технически чистого титана (CpTi) имплантатов подвергали пескоструйной обработкой (GB) - вычитания процесс - создать сложный микрорельеф. Половину имплантатов были затем дополнительно модифицированы путем добавления фосфата кальция (CAP) нанокристаллов создавать супер введенной nanotopography (ГБ, DCD).

Примечание: При просмотре микро-поверхности наждачной обработка, по сравнению с модифицированной поверхностью нано-, при 10000-кратном увеличении, нет никаких очевидных различий в поверхностных характеристик. Тем не менее, если смотреть в 100000-кратном увеличении, различия становятся совершенно очевидно, (рис. 2). Ранее было показано, что такие изменения поверхности оказать глубокое воздействие на остеокондукции ^14.

2. Животная модель и Хирургическая процедура

1. Используйте молодых самцов крыс Вистар (200-250 г) для этой модели. Часовой процедуры необходимо одобрен местной ком ухода за животнымикомитеты. Разрешить животным свободный доступ к воде и крысы чау.
   Примечание: крысы линии Вистар были выбраны для этой процедуры из-за предыдущего опыта с этим штаммом крысы, хотя могут быть использованы другие штаммы крысы. Доступ к пище и воде может быть изменена в зависимости от характера экспериментальной вопрос решаются.


2. Степенный крысы с использованием ингаляционной анестезии вводят через носовой конус: 4% изофлуран в 1 LO ₂ / мин для индукции; 2% изофлуран в 1 л оксида азота и 0,6 LO ₂ / мин в течение обслуживания. Провести стандартный тест схождение щепотку для обеспечения эффективного седации перед продолжением процедуры.
3. Администрирование анальгетик до и после операции с помощью подкожной инъекции 0,01-0,05 мг / кг бупренорфина.
4. Связать имплантатов путем частичного рандомизации и поместите на двусторонней основе в дистальных метафизов крысы бедер. Это позволяет другим имплантат, по одному из выбора различных топологий поверхности, которые будут сравниватьд, в противоположной бедер, оптимизировать статистический анализ.
5. Подготовка животных после бритья и чистки передне-боковой аспект каждой задней ноге с 10% Бетадин. Чтобы предотвратить переохлаждение, поместите теплый циркуляции воды площадку под наркозом крысы.
6. Использование # 15 хирургического скальпеля, сделать надрез через кожу вдоль латеральной поверхности бедра, чтобы разоблачить мышцы. Expose дистального отдела бедренной кости с использованием тупым, чтобы отвлечь мышц тела в малоинвазивной образом.
7. Соскребите тонкий слой надкостницы, покрывающей бедра, используя периостальное лифте, чтобы полностью разоблачить кортикальной кости для сверления. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить пластины роста или суставного хряща коленного сустава во время тупым и удаления надкостницы.
8. После чистки и проверки, поверните бедра с боков, чтобы разоблачить передней поверхности дистального отдела бедренной кости (рис. 3а).
9. Для подготовки операционного поля, бурениеbicortical прямоугольный паз по центру кости через обе коры. Во избежание перегрева тканей, физиологический раствор орошения должна поддерживаться на протяжении бурения хирургическим помощника. Провести бурение в три этапа:
   1. Во-первых, просверлить передней коры головного мозга, подвергаются путем рассечения, используя 1,3 мм зубной заусенцев, прикрепленный к зубной части руки, чтобы создать два отверстия 2,5 мм друг от друга вдоль средней линии бедренной кости.
   2. Затем используйте второй сверло (поворот 1,3 мм стоматологическая заусенцев), чтобы расширить эти отверстия, через противоположной коры, в результате чего bicortical параллельных отверстий.
   3. Наконец, присоединиться отверстия прилагающимися третий пользовательский бокового резания заусенцев в ближнем, дальнем направлении, образуя площадку для имплантата (рис. 3В).
10. Pass биоразлагаемый шов через дефект кости, используя прилагаемый иглу и вернуться вокруг внешнего бедренной коры.
11. Резьба имплантата над свободным концом шовного материала и направить его в дефект, шздесь он должен быть под давлением установлены. Таким образом, длинная ось имплантата должна быть ориентирована перпендикулярно к продольной оси бедренной кости (фиг. 3C).
12. Свяжите нити вокруг латеральной поверхности бедра, чтобы обеспечить стабильности имплантата во время послеоперационного восстановления и ранних стадиях заживления. Используйте оставшиеся нити, чтобы закрыть мышечной ткани, и reoppose кожную ткань с помощью хирургических скобок (9 мм раны клипы).
13. Проверьте хирургических сайтов на наличие признаков инфекции, и контролировать животных ежедневно в течение скомпрометированных амбулаторного способности. Исключить животных, которые не в полной мере восстановить передвигаться, или те, которые имеют переломов бедренной кости в жертву, из анализа.

3. Образец для уборки

1. Жертвоприношение животных на 9 дней послеоперационных смещением шейных позвонков после CO ₂ экспозиции.
2. По жертву, отсоедините Бедра и чистым мягких тканей. Хранить сразу в 15%-ном растворе сахарозы буфера для поддержания тканей чydration в рамках подготовки к механических испытаний (рис. 4А).
   Примечание: Образцы хранятся в буферном растворе сахарозы для поддержания тканей гидратации во время транспортировки между объектами. Образцы будут тратить примерно 2-3 ч в растворе во время подготовки к механических испытаний.


3. Для подготовки образцов для механических испытаний, отделка кость ширине имплантатов с помощью цилиндрической алмазный бор, прикрепленный к системе высокоскоростного. Окончательные образцы для испытаний состоит из двух дуг кости, прикрепленных к каждой стороне имплантата (фиг.4В). Для арками, которые попадают с во время подготовки и транспортировки, назначить механическую значение тестирование 0 N.
   Примечание: Важно быть очень нежным и точный при обрезке образцов, для того, чтобы избежать повреждения или поднапрячься интерфейс. Костные репаративной каллюс может расти вокруг продольной оси имплантата и даже в продольном отверстии. Такое превышение кости должны быть удалены TRImming образцы для точных размеров прямоугольного имплантата, так как это может исказить результаты механических испытаний.

4. Механические испытания

Пользовательский отколовшаяся формы был разработан, чтобы горшок каждый образец, создавая повторяемые и точный метод подготовки образцов для механических испытаний. Конструкция позволяет для изоляции 0,5 мм области вокруг имплантата кости для последовательной зоны тестирования, удерживая образец по центру и полностью горизонтальный в процессе заливки, позволяя для приложения силы непосредственно перпендикулярно к поверхности имплантата. См. Рисунок 5 для полных чертежей и рисунке 6 для конечных компонентов.

Примечание: Проведение все испытания с использованием механических испытаний аппарат, работающий при скорости ползуна 30 мм / мин. Для качественной оценки остаточного кости после проведения теста, рассекает микроскопом могут быть использованы.

1. Герметичныеиз образцов и механических испытаний
   1. Удалить образцы из сахарозы буферного раствора и осторожно промокните насухо.
   2. Образец положение в заказ плесени. Вставьте штифт горизонтально через отверстия в стенках формы и через отверстие в середине имплантата. Поместите стабилизирующую пластину на задней стороне формы для стабилизации имплантата (Рис. 7).
   3. Заполните основание пресс-формы с текучей зубного композита и вылечить в течение 60 секунд с помощью высокую интенсивность света отверждения.
      Примечание: Важно выбрать композит, который не установлен с экзотермической реакции, такие как тепло, генерируемое может влиять на свойства ткани.
   4. После отверждения, откройте форму и удалить затвердевший образец блок. Нарисуйте тонкую черную линию в перманентным маркером на боковой арки для целей идентификации.
   5. Fix сборные реплику испытываемого образца в тисках, и в центре устройства на базе механического тестирования инструмента.
   6. Закрепите образец в тисках и пройти нейлоновую линию через отверстие в имплантата (Рис. 8). Прикрепите концы к центру скользящей траверсы. Для согласованности, всегда маркировать и протестировать боковую сторону в первую очередь. Повторите процесс с медиальной дуги.

Результаты

Все животные увеличили свою амбулаторную деятельность со временем после их восстановления после операции. Это важно, поскольку нагрузки имеет дифференциальные воздействие на топологий различных диапазонах масштаба, как мы недавно сообщили ^12. Представитель кривой силы / переме?...

Обсуждение

Механические испытания модель, представленные здесь обеспечивает улучшенный способ для оценки закрепление кости кандидатов поверхностей имплантатов, так как он позволяет точно перпендикулярно или параллельно, выравнивание испытуемого образца с осью срыва силы, приложенной; и огран...

Материалы

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