A contribuit în mod egal la această lucrare cu: Tzu-Hsiang Lin, Hsin-Tai Hu, Ming-Long Yeh

evaluarea

Conceptualizare roluri, curatare date, analiză formală, investigație, metodologie, administrare proiect, resurse, software, supraveghere, validare, vizualizare, scriere - schiță originală, scriere - revizuire și editare

Departamentul de afiliere inginerie biomedicală, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

A contribuit în mod egal la această lucrare cu: Tzu-Hsiang Lin, Hsin-Tai Hu, Ming-Long Yeh

Conceptualizare roluri, curatare date, analiză formală, investigație, metodologie, administrare proiect, resurse, software, supraveghere, validare, vizualizare, scriere - schiță originală, scriere - revizuire și editare

Departamentul de Afiliere pentru Dezvoltarea Tehnologiei, Compania Bio-Știință Hung Chun, Parcul Științific Kaohsiung, Luzhu, Kaohsiung, Taiwan

Conceptualizare roluri, curatare date, analiză formală, investigație, metodologie, administrare proiect, resurse, software, validare, vizualizare, scriere - schiță originală, scriere - revizuire și editare

Autori ‡ Acești autori au contribuit, de asemenea, în mod egal la această lucrare.

Departamentul de afiliere inginerie biomedicală, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

Conceptualizare roluri, curatare date, analiză formală, investigație, metodologie, administrare proiect, resurse, software, validare, vizualizare, scriere - schiță originală, scriere - revizuire și editare

Autori ‡ Acești autori au contribuit, de asemenea, în mod egal la această lucrare.

Departamentul de afiliere inginerie biomedicală, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

Conceptualizare roluri, curatare date, analiză formală, investigație, metodologie, administrare proiect, resurse, software, validare, vizualizare, scriere - schiță originală, scriere - revizuire și editare

Autori ‡ Acești autori au contribuit, de asemenea, în mod egal la această lucrare.

Departamentul de afiliere inginerie biomedicală, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

A contribuit în mod egal la această lucrare cu: Tzu-Hsiang Lin, Hsin-Tai Hu, Ming-Long Yeh

Conceptualizare roluri, curatare date, analiză formală, investigație, metodologie, administrare proiect, resurse, software, supraveghere, validare, vizualizare, scriere - schiță originală, scriere - revizuire și editare

Departamentul de inginerie biomedicală, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan, Centrul de inovare a dispozitivelor medicale, Universitatea Națională Cheng Kung, Tainan, Taiwan

  • Tzu-Hsiang Lin,
  • Hsin-Tai Hu,
  • Hsueh-Chun Wang,
  • Meng-Chian Wu,
  • Shu-Wei Wu,
  • Ming-Long Yeh

Cifre

Abstract

Evaluarea fixării șurubului cortexului și a pediculului

Analiza radiografică și micro-CT

După decongelare, fiecare bloc de țesut de la vertebrele L2 la L5 a fost scanat cu o distanță voxel de 35 μm (Skyscan 1076; Bruker Micro CT, Belgia). Deși software-ul de computer este disponibil pentru scăderea implantului metalic din os, dispersia cauzată de șuruburile metalice a fost prea puternică pentru a permite contrastul necesar pentru a determina contactul os-implant la interfață cu utilizarea micro-CT. Cu toate acestea, imaginile au fost utile pentru o evaluare generală a osteointegrării. Prin urmare, după scanare, zona interfeței os-șurub a specimenului a fost cuantificată prin analiză densitometrică utilizând videomicroscopie și software ImageJ (National Institutes of Health); semnalele au fost normalizate în raport cu grupul de control. Pe de altă parte, imaginile CT au fost utilizate pentru a măsura procentul de volum osos, care este procentul de os mineralizat în volumul total de țesuturi [20]. În plus, procentul de șuruburi pediculare în interiorul țesutului osos a fost, de asemenea, evaluat prin analiză densitometrică utilizând imagini CT.

Încercări mecanice

Cuplul de îndepărtare a șuruburilor de cortex a fost măsurat folosind un sistem de testare calibrat MTS 858 Mini Bionix II (MTS, Eden Prairie, Minnesota) (Fig. 1). Au fost testate blocuri de țesuturi din tibie pentru 28 și 21 de șuruburi de cortex, obținute la una și, respectiv, la trei luni de la implantare. Capătul expus al șurubului a fost atașat la un adaptor fixat pe traductorul de sarcină axial-torsional. Șuruburile au fost rotite cu 60 ° în sens invers acelor de ceasornic la o rată de 0,5 °/s. Unghiul de cuplu și momentele au fost înregistrate automat cu un sistem de achiziție de date TestStar (MTS). Din testele de torsiune s-au calculat cuplul maxim și rigiditatea unghiului. Cuplul maxim a fost definit ca eliminarea cuplului.

Scopul testului de extragere a șuruburilor pediculare a fost de a măsura rezistența la extragere axială pentru eșecul fixării șurubului pediculului. Fiecare specimen a fost montat pe un sistem de testare a materialului (Hung Ta HT-2402BP, Taichung, Taiwan) printr-un dispozitiv de prindere personalizat (Fig 2). Orientarea șurubului pediculelor printre specimene a fost ajustată în mod adecvat pentru a menține alinierea forței de tragere aplicate. Șurubul pedicular a fost atașat la aparat printr-o foaie groasă cu o gaură rotundă pentru a fixa capul șurubului. O preîncărcare de 10 N timp de 30 de secunde a fost aplicată mai întâi pentru a se asigura că structura a fost stabilizată pentru a preveni un impact brusc la apariția testului de extragere. Apoi, a fost exercitată o deplasare continuă și progresivă la o rată de 5 mm/min pentru extragerea șurubului pedicular, urmând instrucțiunile ASTM F543-13. Forța de vârf a fost înregistrată ca rezistență la tragere (forță maximă de tragere).

Analize histologice

Secțiunile de țesut au fost preparate din blocuri de țesut fixate în formalină încorporate în plastic, cu implantul intact din tibie la 3 luni de la implantare. Aceste secțiuni au fost măcinate la o grosime finală de 10 până la 20 μm și colorate cu hematoxilină și eozină (H&E) pentru analize histologice calitative. Șuruburile neosteointegrate nu au fost incluse în evaluarea histologică descrisă mai jos, deoarece contactul os-implant nu a fost prezent și, prin urmare, nu a putut fi evaluat. Mai mult, secțiunile de țesut au fost, de asemenea, colorate cu albastru de toluidină pentru a detecta caracteristicile osoase din formarea osoasă între os și implant. Examinările au fost efectuate cu un microscop cu lumină (Axiophot-2, Zeiss, Jena, Germania) echipat cu o cameră digitală (DC 500, Leica, Bensheim, Germania) pentru evaluare descriptivă.

Analize statistice

Analizele statistice au fost efectuate folosind pachetul software SPSS v17.0. Toate datele sunt prezentate ca medie ± eroare standard a mediei (SEM). Deoarece datele nu au fost distribuite în mod normal, omogenitatea varianței a fost confirmată folosind testul lui Levene. Testul neparametric Kruskal-Wallis, urmat de testul U Mann-Whitney, au fost utilizate pentru a analiza datele dintre cele trei grupuri în fiecare moment pentru forța de cuplu și, respectiv, rezistența la extragere. O valoare p a Fig. 3. Radiografii reprezentative care arată șuruburile cortexului și pediculului după implantare.

(A) Șurub de cortex cu plasare a osului cortical și (B) Șurub de pedicul cu așezare tradițională pe vertebrele L2-L5.

(A) 1 lună și (B) 3 luni după implantare.

(A) 1 lună și (B) 3 luni după implantare. *: p Fig 6. Volumul osos al diferitelor șuruburi pediculare introduse în coloana vertebrală după implantare.

(A) 1 lună și (B) 3 luni după implantare. **: p Fig 7. Procentul de diferite șuruburi pediculare în interiorul coloanei vertebrale după implantare.

(A) 1 lună și (B) 3 luni după implantare. ***: p Fig 8. Cuplurile maxime de inserție ale diferitelor șuruburi de cortex în oasele corticale după implantare.

(A) 1 lună și (B) 3 luni după implantare. Grupa A: grup SLAffinity, grupa B: grup comercial, grupa C: grup șlefuit. *: p Fig 9. Compararea cuplurilor de inserție de vârf ale diferitelor șuruburi de cortex în oasele corticale după implantare.

Grupa A: grup SLAffinity, grupa B: grup comercial, grupa C: grup șlefuit. *: p Fig 10. Compararea forței de extragere între diferite grupuri la 1 lună după implantare.

*: p Fig 11. Compararea forței de tragere între diferite grupuri la 3 luni după implantare.

*: p Fig 12. Secțiuni histologice nedescalcificate ale formării osoase peri-implantare după osteointegrarea diferitelor șuruburi de cortex în tibie.

(A, D și G) SLAffinity, (B, E și H) comercial și (C, F și I) șuruburi de cortex șlefuite. Semicercul roșu indică o nouă formare osoasă la interfața dintre țesutul osos gazdă și implantul cu șurub. Formarea osteocitelor este indicată de săgeata galbenă. Săgețile de culoare albastru deschis și verde indică faptul că se observă un decalaj mare între implant și osul gazdă și o creștere osoasă a mărit interfața de contact cu osul trabecular. Noua formare osoasă în țesuturile peri-implantare din diferite implanturi este indicată de săgeți albastru închis. (H&E; A, B și C, mărire originală X10; D-I, mărire originală X20).

Eșantioane histologice de grupuri (A) SLAffinity, (B) comerciale și (C) sablate la 3 luni după operație. Semicercul roșu indică o nouă formare osoasă la interfața dintre țesutul osos gazdă și implantul cu șurub. Formarea osteocitelor este indicată de săgeata galbenă (mărire originală X10).

Discuţie

Vindecarea osoasă în jurul implanturilor implică o cascadă de evenimente biologice celulare și extracelulare care au loc la interfața os-implant până când suprafața implantului apare în cele din urmă acoperită cu un os nou format [23]. Factorul biologic esențial pentru a intra în contact cu un implant endos este sângele. Această cascadă de evenimente biologice de formare osoasă este reglementată de factorii de creștere și diferențiere eliberați de celulele sanguine activate la interfața osos-implant [24]. Compatibilitatea sângelui implanturilor cu o peliculă de oxid se îmbunătățește evident pe măsură ce crește grosimea straturilor de oxid de titan. Aceasta înseamnă că formarea oxidului pe suprafețele implantului poate spori biocompatibilitatea și hemocompatibilitatea. Un studiu anterior a demonstrat că un specimen SLAffinity avea un strat de oxid evident mai gros (

În acest studiu, am evaluat șuruburile cu o suprafață SLAffinity. Șuruburile combină principalele proprietăți ale unei suprafețe de titan aspru: microroughness și ondulație ridicată, care favorizează diferențierea celulelor osoase și osteointegrarea. Un studiu anterior a arătat că implanturile SLA au avut RTV medii mai mari decât cele ale implanturilor de suprafață prelucrată (MA) [10, 29, 33-35] și că RTV a crescut cu timpul [11]. Cu toate acestea, un studiu recent a indicat că RTV-urile implanturilor SLA nu au fost semnificativ diferite în comparație cu cele ale implanturilor MA la 0 și 8 săptămâni [36]. Studiul a atribuit această constatare utilizării condilului femural de iepure în locul tibiei ca model de implant. Densitatea și grosimea osoasă în cele două regiuni sunt diferite. Un alt studiu a arătat că RTV-urile implanturilor SLA nu au fost statistic diferite în comparație cu cele ale implantelor MA într-un model beagle după încărcare mecanică [37]. Aici, a fost ales modelul tibiei și coloanei vertebrale porcine, deoarece niciun studiu anterior privind fixarea internă osoasă și integrarea osoasă nu a examinat efectul implantelor SLAffinity. Prin urmare, rezultatele prezentului studiu pot fi utile pentru testarea preclinică.

Au existat unele limitări în acest studiu în analiza radiografică și experimentul biomecanic al șuruburilor pediculare. În radiografii, limitările rezoluției interfeței implant-os din dispersia de metal prin micro-CT au interferat cu evaluarea cantității de creștere a țesutului la interfață. Pentru testul mecanic, încărcarea aplicată poate să nu reprezinte exact încărcarea fiziologică pentru șuruburile pediculare. Cu toate acestea, testele de extragere au fost utilizate pe scară largă pentru a măsura puterea de reținere biomecanică și a măsura cantitatea de stabilitate atinsă [38]. Deși șurubul de extragere directă nu este modul de eșec clinic, testarea de extragere este încă considerată un bun predictor al puterii de fixare a șurubului pediculului [39]. Mediul biomecanic din studiul actual nu poate fi complet reconstruit ca situație fiziologică reală, dar această procedură analitică poate oferi în continuare informații favorabile pentru referință. În plus, influența implantelor SLAffinity asupra tibiei și coloanei vertebrale pentru implantarea in vivo pe termen lung nu a fost încă verificată complet. Acest experiment este important de realizat înainte de implementarea clinică.

Concluzie

Prezentul studiu a arătat că implanturile cu o nouă modificare a suprafeței SLA (SLAffinity) nu numai că cresc RTV și rezistența la extragere, ci și sporesc producția de osteoblasti, excreția matricei celulare și formarea osoasă la interfața os-implant comparativ cu cele ale implanturilor cu nisip. -suprafață sablată și șuruburi disponibile în comerț. Prin urmare, implanturile SLAffinity pot fi implanturi ideale pentru o mai bună integrare osoasă, în special pentru pacienții cu fractură sau osteoporoză.