Rigidité réglable, fixateur externe pour les modèles Rat fémur ostéotomie segmentaire et défauts osseux

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.

L'environnement mécanique autour de la guérison des os cassé est très importante car elle détermine la façon dont la fracture va guérir. Au cours de la dernière décennie, il ya eu un grand intérêt clinique dans l'amélioration de la cicatrisation osseuse en modifiant l'environnement mécanique par la stabilité de la fixation autour de la lésion. Une contrainte de la recherche animale préclinique dans ce domaine est le manque de contrôle expérimental sur l'environnement mécanique locale dans un grand défaut segmentaire ainsi que ostéotomies car ils guérissent. Dans cet article, nous présentons la conception et l'utilisation d'un fixateur externe pour étudier la guérison des défauts importants segmentaire osseuses ou ostéotomies. Ce dispositif permet, non seulement de la rigidité axiale contrôlée sur la lésion de la moelle qu'elle guérit, mais il permet également la variation de la rigidité au cours du processus de cicatrisation in vivo. Les expériences réalisées ont montré que les fixateurs sont en mesure de maintenir un écart de défaut fémorale 5 mm chez le rat in vivo au cours de cage libreactivité pendant au moins 8 semaines. De même, nous n'avons observé aucune déformation ou d'infections, y compris les infections des broches au cours de la période de cicatrisation entier. Ces résultats démontrent que notre fixateur externe nouvellement développée a été en mesure de parvenir à stabiliser reproductible et normalisée, et l'altération de l'environnement mécanique in vivo chez le rat défauts grand osseuses et diverses ostéotomies de taille. Cela confirme que le dispositif de fixation externe est bien adapté pour des enquêtes de recherche préclinique utilisant un modèle de rat dans le domaine de la régénération osseuse et la réparation.

Un certain nombre d'études ont permis de mieux comprendre les mécanismes biologiques impliqués dans la réparation des tissus osseux ^1-6. Les effets des conditions mécaniques sur la réparation osseuse tels que axiale, cisaillement et des mouvements interfragmentaires (MFI) ont été largement étudiés ^7-15. Au cours des dernières années, de plus en plus d'études ont commencé à émerger décrivant l'influence de l'environnement mécanique sur la cicatrisation osseuse en utilisant une fracture, une ostéotomie et une grande perte de substance osseuse segmentaire dans des modèles in vivo. Par conséquent, les méthodes de fixation fiables sont nécessaires pour obtenir des résultats reproductibles et fiables étude.

L'environnement mécanique autour de la fracture de guérison est très importante car elle détermine la façon dont la fracture va guérir. Ainsi, le choix du dispositif de fixation est très important et doit être soigneusement choisie en fonction de la conception de l'étude, ainsi que d'autres facteurs tels que la taille de l'espace et du type de fracture. Les propriétés mécaniques du dispositif de fixation d'unre encore plus important lorsque l'on étudie la cicatrisation osseuse de grands défauts osseux pour établir une fixation qui ne fournit pas seulement une dimension de l'intervalle constant tout au long de la période d'essai de charge complète, mais également un environnement idéal pour la mécanique de l'os de la guérison. Les fixateurs externes sont couramment utilisés dans les fractures et les grands modèles expérimentaux de guérison des défauts osseux car elles ont un avantage sur d'autres dispositifs de fixation. Le principal avantage de fixateurs externes sont qu'ils permettent la modification de l'environnement mécanique au niveau du site du défaut in vivo sans une intervention secondaire qui peut être obtenue en changeant ou en ajustant la barre de la stabilité de l'appareil au cours de l'expérience, comme l' cicatrisation osseuse progresse. En outre, elle permet l'application de la stimulation mécanique locale spécifique pour améliorer la réparation de l'os, et fournit aussi la possibilité de mesurer la rigidité d'un tissu de cal in vivo. Néanmoins, les dispositifs ont aussi quelques inconvénientsqui comprennent: irritation des tissus mous, les infections et la broche rupture.

Malheureusement, ces implants ne sont pas disponibles «sur étagère» au moment de l'élaboration de l'implant, et les enquêteurs ont été contraints de concevoir sur mesure leurs propres fixateurs pour une utilisation prévue. Par conséquent, une contrainte de la recherche dans ce domaine est le manque de contrôle expérimental sur l'environnement mécanique locale dans un grand défaut segmentaire ainsi que ostéotomies car il guérit. Les caractéristiques mécaniques d'un fixateur externe sont définis par, et peuvent être modulées par un grand nombre de variables qui comprennent: la distance entre les broches, diamètre de la tige, Matériau de l'axe, le nombre de broches, fixateur longueur de la barre, numéro de barre de fixateur, matériau fixateur de la barre, l'épaisseur de la barre de fixateur et la distance entre la surface de l'os de la barre de fixateur (offset). Étonnamment, seulement un manque d'études pourrait être trouvée qui ont étudié les contributions mécaniques des composants individuelsde fixateurs ou des configurations de châssis entiers utilisés dans les études sur les rongeurs ^16,18,28. Par exemple, les résultats d'une seule étude ont montré que l'un des principaux facteurs contribuant à la détermination de la rigidité totale de la construction de fixation a été dominée par la flexibilité des broches par rapport à leurs offset, diamètre et les propriétés des matériaux ^28. Les résultats des études ci-dessus montrent clairement que la connaissance de l'environnement mécanique fournie par le dispositif de fixation est très important, mais, dans de nombreux cas n'est pas étudié en détail. Cet article présente l'implantation conception, les spécifications, et in vivo d'un fixateur externe qui résout ce problème. Ce fixateur permet également la modulation de l'environnement mécanique cicatrisation progresse, une propriété qui permet l'étude de la mécano-sensibilité de différentes étapes du processus de cicatrisation in vivo. En outre, ainsi que l'imposition d'une mécanique locale contrôlée et reproductibleal environnement, son accessibilité permet également pour la modulation de ce milieu à différents stades de la cicatrisation osseuse.

Le fixateur nous avons conçu a été basée sur la fixation externe, qui est largement utilisé pour la fixation des fractures ^16-21 et les grands modèles de défauts dans les animaux de laboratoire ^22-27. La différence entre notre fixateur externe et les autres modèles existants dans la littérature est que leur barre de stabilité est fixé avec des vis à avoir une mainmise de broches de Kirschner (K-fils). Ce type de conception nécessite des vis à resserrer toutes les deux semaines (parfois même hebdomadaire) pour s'assurer que la distance du décalage est maintenu que le chargement est appliqué par roulement de poids pour empêcher le relâchement de la barre de stabilité. Si tel relâchement se produit, il permet des conditions de chargement supplémentaires indésirables tels que angulaire, transversale et les mouvements de cisaillement de torsion à l'os de guérison (basé sur l'expérience personnelle, la communication avec researchers). Sachant cela, un fixateur externe a été conçu en tant que telle que, lorsque la rigidité du fixateur doit être changé, il serait obtenue en retirant des éléments de connexion reliés au module principal où les broches de montage sont noyés. L'expérience pilote in vivo a été réalisée avec le nouveau prototype de fixateur externe pour s'assurer qu'il remplit toutes les exigences proposées avant d'être fabriqué en grandes quantités.

L'objectif principal de cet article est de présenter une nouvelle méthode chirurgicale pour un fixateur externe utilisé pour les grands défauts osseux et ostéotomies chez le rat avec la possibilité de modifier la rigidité in vivo au cours du processus de guérison. Ce mode de fixation est appliquée in vivo sur le fémur de rat.

Les soins et les protocoles expérimentaux ont été suivies conformément aux directives du NIH et approuvés par le Centre médical de l'établissement de soins et d'utilisation des animaux Comité Beth Israel Deaconess, Boston, MA. (Numéro de protocole: 098-2009)

1 Préparation du matériel et les instruments chirurgicaux

1. Stériliser tous les matériaux et instruments chirurgicaux utilisés pour effectuer une intervention chirurgicale avant de l'utiliser. Emballez les matériaux nécessaires, avec ou sans plateau de l'instrument, à l'intérieur d'un chiffon papier plié ou enroulé et sceller avec du ruban autoclave pour la stérilisation à la vapeur. La température de l'autoclave devrait être à 125-135 ° C pendant 20-25 min de temps de stérilisation, puis 10-15 min de temps de séchage.
2. Assurez-vous que, au moment de la chirurgie, les rats sont de 200-250 g. Ceci est très important car si les rats sont plus lourdes dans la taille, puis un fixateur de taille différente doit être utilisée. Pour les rats plus lourd que 250 ga plus grande version du système de fixateur externe doit être utilisé.

2. intervention chirurgicale et l'application de la fixateur externe

1. Achetez Sprague-Dawley (ou de toute autre souche) rats (mâles ou femelles, 200-250 g) de tout fournisseur d'animaux certifiés. Suivez les soins appropriés chez l'animal et des protocoles expérimentaux, conformément aux directives nationales, qui est approuvé par le Comité institutionnel de protection et d'utilisation des animaux de l'enquêteur. Prévoir un minimum de période d'acclimatation de 48 heures avant l'intervention.
2. Pour la chirurgie, le transport du rat dans une chambre de procédure chirurgicale spécifique.
3. Anesthésier le rat avec de l'isoflurane d'abord par la chambre de l'induction, puis continuer avec masque relié à un appareil d'anesthésie à un taux de 1,5-2% en 1-1,5 L de O ₂ / min. Au début de la chirurgie assurez-vous que l'animal est sous anesthésie profonde. Pour ce faire, utilisez la pédale technique de réflexe par étendre la branche et pincer la bande entre les orteils avec les doigts (pas le bout lui-même!). L'animal n'est pas sufficiently anesthésié si le membre est retiré, contraction musculaire se produit ou si l'animal fait du bruit.
4. Après que le rat sous anesthésie générale est profond pour la chirurgie, injecter l'antibiotique (la céfazoline, 20 mg / kg) et la buprénorphine analgésique (dose de 0,08 mg / kg) par voie intramusculaire dans la cuisse droite. Afin d'éviter des pertes importantes de fluide au cours de la chirurgie administrer une solution saline chaude stérile par voie sous cutanée à 5.3% du poids corporel avant la chirurgie, et si c'est nécessaire, à la fin. Appliquer une pommade oculaire stérile pour les yeux pour les garder hydraté pour éviter les blessures de la cornée.
5. Après les injections de drogue, de se raser et nettoyer toute la patte arrière droite du rat avec chlorohezadine ou autre solution de désinfection et de transférer l'animal à la table d'opération. (Sur la jambe opérée doit être le même que celui qui a été injectée.)
6. Placer l'animal sur une surface chauffée à la position couchée (figure 1A). Assurez-vous que le masque reste sur le nez et la bouche à l'arrièreer le transfert à la table d'opération, et de maintenir le régime d'anesthésie mentionné dans 2.3). Drapé le domaine de la chirurgie d'un drap stérile fenêtrée de sorte que seule la jambe destinés à la chirurgie est exposée.
7. Faire une incision d'environ 3 à 4 cm de la (figure 1B) à travers la peau en cours d'exécution sur craniolateral la surface du fémur droit du grand trochanter à la région sus-condylienne du genou à l'aide d'un scalpel (Figure 1C). Exposer le corps du fémur par dissection douce séparant le fascia lata, et faire en sorte que le tissu musculaire n'est pas coupé. Après cela, séparer les deux les lateralis vastus M. et M. biceps et soulevez le M. tenseur du fascia lata pour exposer toute la longueur du fémur (faire en sorte que le nerf sciatique est préservée; figure 1D).
8. Dans la zone prévue de l'ostéotomie, de préparer le fémur le long de la zone à mi-chemin de la diaphyse en relâchant le tissu musculaire environnant à partir de la femur. Tout d'abord, commencer par mettre l'ascenseur Henahan perpendiculaire à la surface exposée du fémur, puis à l'aide d'un scalpel, relâcher le muscle dans la zone adjacente.
   1. Continuer en avançant vers l'avant et faire le tour du fémur, en restant à proximité de la surface de l'os, jusqu'à ce que tout le tissu musculaire environnant est libéré de toute la section médiane de l'os (où le défaut est créé), et le tissu musculaire est complètement nettoyé à partir de l'os. Tout en faisant cela, il est très important de rester près de la surface de l'os pour éviter de couper des gros vaisseaux.
9. Pour un grand défaut de 5 mm de l'os, la boucle 2 morceaux de fil Gigli scie (0,22 mm) autour de l'os dans l'orientation médio-latéral (figure 1E, F). Après le bouclage de la scie à fil, la position d'un seul tenant sur le côté distal du fémur, à proximité de l'articulation du genou, et une deuxième pièce sur le côté proximal à proximité de l'articulation de la hanche. Fixer le fil scie de Gigli pièces de chaque côté en utilisant S-forme dissection courbe et Ligatpince ure, de sorte qu'il reste dans l'endroit prévu. Si une seule ostéotomie de coupe est prévu, puis utiliser un seul morceau de scie à fil.
10. Utilisation de la plaque de fixation externe en tant que matrice afin de déterminer la position exacte de l'implant. La position du fixateur externe doit être aussi proche que possible du centre du fémur.
    1. Placer la plaque de fixation externe sur la face antéro-externe de l'os. Ce résultat est obtenu en faisant tourner de l'extérieur du fémur. Dans cette position, la couche de tissu mou est à son plus mince, ce qui évite une tension excessive du tissu mou sous la plaque de fixateur après que la plaie est fermée.
    2. Ensuite, soulever légèrement la plaque de fixateur externe de la surface de l'os afin de s'assurer que les trous de la plaque sont centrées sur la surface de l'os. Tenez le fixateur externe avec une petite pince pour elle de rester parallèle à l'axe longitudinal de l'os, puis utiliser un outil électrique ou une perceuse à main pour pré-percer le premier trou sur le côté du fémur avec le 0.79Trépan de forage mm. Avant d'avancer vers l'avant, assurez-vous que la pointe de la mèche est toujours centrée sur la surface de l'os.
    3. Si la pointe du foret ne cesse de glisser, utilisez le 1,00 mm contre platine (Figure 8F) pour centrer la position du premier trou. Le compteur lest doit être utilisé pour positionner toutes les broches de montage restants. Cela permettra d'assurer un parfait alignement des trous de forage et la plaque de fixateur par rapport à la surface de l'os.

3. externe fixateur Implantation Méthode Utiliser le guide de scie

1. Assurez-vous que la plaque du fixateur externe n'est pas monté à l'envers avant de clipper sur le guide de scie. Déterminer en comparant la taille des trous de la plaque. Le bon côté est avec le diamètre de la plus grande trou vers le haut. Si la différence entre la taille des trous dans le fixateur n'est pas apparent, en utilisant la contre-platine.
   1. Insérer la pointe de la contre-platine dans l'un des trous surla plaque de fixateur, si la contre-platine s'intègre facilement dans le trou, alors c'est la tête du fixateur, cependant, si la pointe de la contre-platine n'entre pas alors c'est un côté inférieur du fixateur, et doit être retourné pour l'implantation en conséquence.
      (Important:.. Assurez-vous de percer perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'os ce qui garantira une parfaite orientation du fixateur à la surface de l'os La direction du premier trou de forage détermine l'orientation finale du fixateur sur l'os Rappelez-vous le les broches de fixation sont de la même longueur, et si le fixateur n'est pas parallèle à l'axe longitudinal de l'os, la distance entre le fixateur et l'os varient beaucoup trop et peuvent empêcher la capacité de chacun des quatre axes de montage de pénétrer dans les deux corticales).
   2. Après l'orientation est confirmée, couper la plaque sur le guide de scie (Figure 2A, B), puis extraire l'unité sur l'os de sorte que le premier avant-trouest aligné avec le premier trou de la plaque (figure 2C). Utilisez la clé 0,70 mm de boîte carrée insérée dans la perceuse à main pour entraîner le premier axe de montage dans le trou. Faire cela va permettre un positionnement reproductible pour les broches de montage restantes.
   3. Après la première tige de montage est en place, puis percer le trou le plus éloigné du premier axe de montage sur le côté distal, et entraîner le second axe de montage dans le trou. L'ordre d'implantation des deux broches de montage moyen n'est pas important.

4. fixateur externe Implantation Méthode Sans le Guide de scie:

L'application du fixateur externe peut aussi être réalisé sans utiliser le guide de la scie. Les étapes à partir de l'implantation de fixateur externe sont les mêmes jusqu'à ce que l'unité avec le guide de la scie est clipsé sur l'os (étape 3.1). Si le guide de scie n'est pas utilisée, il est très important de garder la plaque de fixateur dans le bon sens au coursl'ensemble de la procédure d'application. Le fémur doit être tourné à l'extérieur dans le sens antéro-externe.

1. Maintenir la plaque de fixation externe avec une petite pince en forme de S ou de dissection courbée et une pince de ligature de sorte qu'elle est parallèle à l'axe longitudinal de l'os (figure 3A). L'application de la première tige de montage permettra de déterminer l'alignement du fixateur, par conséquent, la rotation de l'os doit être maintenue jusqu'à ce que la première broche est insérée (figure 3B). Après la première broche est en place, à utiliser avec précaution les pinces pour maintenir la plaque de fixateur qui agit comme un guide de perçage.
2. Insérez le foret dans le second trou - c'est le trou le plus distal par rapport à l'écart de l'ostéotomie prévu (figure 3C). Avant de percer, assurez-vous que le deuxième trou a la même orientation que le premier trou; assurez-vous aussi que, après le forage est terminé, les deux corticales sont pénétrés.
3. Insérez le bo carré 0,70 mmx clé pour la perceuse à main, puis insérez la broche de montage dans la pointe. Insérez délicatement dans la plaque du fixateur externe sans perdre l'alignement de la première avant-trou.
4. Dès que la pointe est en contact avec l'os, commencer à tourner la clé sous charge axiale continue appliquée à l'extrémité proximale de la perceuse à main. Après environ 5 tours complets, assurez-vous que le fil à l'extrémité proximale de la tige de montage attrape le corps de la plaque de fixation externe. Ce thread verrouille le système. Arrêter de tourner lorsque l'extrémité du fil de l'os à proximité de la surface supérieure de l'os (Figure 3D).
5. Après les broches sur le côté le plus distale et proximale sont en place pour percer les deux trous du milieu restants. L'ordre d'implantation des deux pins du milieu n'est pas important (figures 3C).
6. Après le fixateur externe est en place, utilisez le 0,22 mm fil scie de Gigli dirigée par le guide de scie pour faire le défaut segmentaire (Figure 4A). Si cette dernière méthode est choisie, le guide de la scie est coupé avant de faire un défaut.
   1. Pour ce faire, passer un fil Gigli 0,22 mm vu à travers les 2 encoches sous le fémur (figure 5A) pour créer un 5 mm défaut segmentaire par un mouvement de va-et-vient (figure 5B) en utilisant une irrigation suffisante (utilisation 5 ml seringue pour distribuer une solution saline à le temps de la création de défauts). Pour éviter d'endommager les tissus mous, couper le fil scie près de l'os sur un côté après avoir terminé l'ostéotomie. Retirez le guide de scie (figure 4B).
7. Après le défaut ou ostéotomie est créé, retirez le guide de scie et fermer la plaie en couches, le muscle premier (figure 4C), puis la peau (figure 4D). Avant la plaie est fermée, traiter le défaut comme prévu dans le protocole de l'étude. Fermez la couche musculaire et le fascia lata utilisant Ethibond vicryl 4-0, et la peau à l'aide Ethicon Monocryl 3-0 sAVENIR. Évitez de faire glisser matériel de suture sur des surfaces non stériles tandis que la suture des plaies. Remarque: Pour éviter blessure mordre, la suture ne doit pas s'arrêter distale de l'implant inférieur. De même, la colle de peau peut être utilisée à la place d'une suture.
8. Sur les trois premiers jours postopératoires, donner l'analgésique rat toutes les 12 heures et l'antibiotique chaque 24 heures. Bien sûr, le régime post-opératoire des médicaments varie en fonction de la marque et la marque des médicaments utilisés par chaque chercheur (se référer aux instructions de la spécification de la drogue).
9. De surveiller les animaux fréquemment après la procédure afin de s'assurer qu'ils se remettent de l'anesthésie et alors seulement leur retour à l'établissement d'hébergement. Fournir des logements solitaire pour les premiers jours après la chirurgie pour s'assurer qu'il n'y a pas de complications.
10. Surveillance de l'eau, la prise alimentaire et le poids corporel après la chirurgie pour s'assurer que l'animal n'est pas en souffrance et la détresse. Si l'animal montre un niveau d'activité a diminué, difficulté à se déplacer (de l'échec des implants possible), ataxiun, poils gras hirsute, porphyrine coloration autour des yeux et des narines, une posture voûtée, détresse respiratoire, réduction de l'apport alimentaire et de l'eau, etc consulter un vétérinaire.

5 Changement de fixateur externe rigidité in vivo

1. Si le protocole de l'étude nécessite le changement de la rigidité de fixateur pendant le processus de guérison in vivo ce qui est obtenu en changeant les éléments de connexion sécurisée avec les vis de verrouillage spéciaux avec 0,5 mm boîte carrée de la clé attachée à la perceuse à main. Pour cette procédure, anesthésier le rat (voir le 2.3 dans le protocole) et donner l'analgésie (reportez-vous à la 2.4 dans le protocole) une seule fois au moment de la procédure (figure 6A).
   1. Endormir le rat, puis insérez la pointe de la clé 0,50 mm de boîte carrée dans la vis de verrouillage fixé sur le côté du fixateur assemblé, et commencer à bien dans le sens antihoraire jusqu'à ce que la broche est à mi-chemin (Figure 6B ). Après cette partie est terminée, répéter la procédure pour le second axe qui se trouve sur le même côté de la plaque de fixation externe (Figure 6C).
   2. Lorsque les deux broches sur le même côté sont à moitié chemin, utiliser une pince ou une pince pour retirer l'élément de connexion sur le côté opposé avec un mouvement doux (Figure 6D). L'élément de liaison doit se détacher facilement, si elle n'a pas, puis faire un couple supplémentaire de tours sur les deux vis de verrouillage pour s'assurer que la pointe de la vis de verrouillage n'est pas ancrée dans l'élément de connexion.
   3. Après l'élément de connexion est supprimée, faites glisser l'élément de connexion souhaité de rigidité à la place du enlevé un (figure 6E), et de l'autre côté à l'aide de la clé de boîte carrée commencer à tourner jusqu'à la vis de verrouillage est à mi-chemin sur le côté opposé (Figure 6F). Répétez la même procédure pour la deuxième vis de verrouillage (figure 6G). Important: eest exigera de passer à l'autre côté de la plaque pour s'assurer que les deux vis de verrouillage sont à mi-chemin sur le côté où l'élément de connexion a été remplacé (figure 6H, I).
   4. Après cette partie est terminée avec succès, retirez le deuxième élément de liaison (Figure 6J) et le remplacer par le même élément de liaison de rigidité que celui remplacé sur le côté opposé (Figure 6K). Après le second élément de connexion est en place, commencer à conduire la vis de verrouillage jusqu'à ce que l'extrémité de la vis de verrouillage sort de la face opposée de la plaque, et la pointe de la vis de verrouillage est sorti de la même quantité de chaque côté (figure 6L). Répétez la même procédure pour la deuxième vis de verrouillage (Figure 6 M, N). Cette procédure prend environ 15 minutes à compléter.

Les spécifications de conception

Stabilisation du fémur de rat avec le système de fixation externe permet la création d'ostéotomies de 0,5 à 5 mm. Le système de fixateur externe est un fixateur externe verrouillé en polyéther-éther-cétone (PEEK - [le corps]) et de titane-aluminium-niobium alliage (TAN - [les broches de montage]), qui offre un design simple, reproductible et adaptable, et est disponible en quatre raideurs différentes: 10, 40, 70 et 100% (100% étant la norme, fixateur le plus rigide (figure 7) Selon les exigences de l'étude de chaque enquêteur, qu'ils auront à faire l'ajustement de la rigidité implant in vivo. la guérison de l'os progresse, la plaque de fixation externe provient soit d'une seule pièce solide (Figure 8) ou de deux éléments de connexion (figure 9A) et les deux modules principaux (Figure 9B) fixée par deux vis de verrouillage (Figure 9C) qui doivent être assemblés avant la chirurgie (Figure 10A-F). Les éléments de connexion sont d'épaisseur différente, et donc la rigidité, et ont été développés pour atteindre la rigidité de fixation équivalente à 10% (0,75 mm), 40% (1,70 mm), 70% (2,10 mm) et 100% (2,50 mm d'épaisseur, Figure 7). La rigidité du fixateur externe de 100% a été calculée sur la base du poids approximatif de 200 g de corps d'un rat adulte, et ensuite multipliée par un facteur 4, à une masse équivalente de 800 g. Ceci a été réalisé afin de s'assurer que, après la création d'un défaut de 5 mm, le fixateur est capable de supporter le palier de poids de l'animal, en maintenant ainsi l'alignement et empêcher la dislocation de fragments de défauts. Les trois rigidités du fixateur restants ont été diminué de 30%, respectivement, à partir de la plus élevée (100%) d'avoir une variété d'études avec des raideurs différentes fins.

Chaque module principal comporte deux trous où les broches de montage sont inserted. La rigidité de fixateur peut être modifié alors qu'il est encore attaché à l'animal vivant en changeant les éléments de raccordement fixées par des vis de verrouillage spéciaux (Figure 9C) en utilisant 0,5 mm boîte de clé carrée (figure 9H) attaché à la perceuse à main (figure 9K). TAN (alliage de titane) a été utilisé pour faire des broches (figure 9D) pour fixer la barre de stabilité au fémur (figure 7) de montage. Le fixateur est disponible en quatre morceaux et doit être assemblé avant d'utiliser si un changement de rigidité est destiné à l'étude (Figure 10A-F), sinon, un seul fixateur Pieced solide doit être utilisé. La distance entre les vis extérieures est 16 mm et la distance entre les vis est de 11 mm du milieu. Tous les trous sont pré-percés à l'aide d'un foret de 0,79 mm (Figure 9E). Les vis sont bloquées dans les trous dans le cadre du fixateur principal, qui est parallèle à la surface de l'os correspondant et fixés à une distance de 6 mm en arrièrem l'os (figure 7).

Un guide de scie a été développé pour permettre la création d'un, reproductible, 5 mm défaut segmentaire précise dans le fémur (figure 9I); elle sert aussi de guide de positionnement pour le montage du fixateur externe. Le châssis principal du fixateur externe est clipsé sur le guide de la scie, et ensuite l'ensemble du système est clipsé sur l'os, comme illustré sur la figure 2B, C. L'écart de 5 mm est généré avec un 0,22 mm Gigli fil scie (figure 9J). Tant le guide de scie et la scie à fil Gigli peuvent être passés à l'autoclave à 134 ° C. Si une ostéotomie de taille différente est destiné à l'étude, une coutume conçue vu guide est disponible. En raison de la taille miniature du fixateur externe, un jeu spécial d'instruments d'implantation a été conçu et a acquis; un bit de forage sur mesure 0,79 mm (figure 9E), contre 1,00 mm pour la platine avant-trou des trous (figure 9F), 0,7 mm square boîte clé pour l'application des broches de montage attachés à la perceuse à main (figure 9G), 0,5 mm boîte carrée de la clé pour l'application des vis de verrouillage (Figure 9H), une perceuse à main (figure 9K). Une perceuse Accu Pen (figure 9L) a également été développé. Le diamètre de l'âme de chaque broche de montage est de 0,02 mm plus grand que le trépan de forage pour assurer une bonne mise en place des broches de fixation dans l'os. Lorsqu'il est utilisé conjointement avec une pointe de vis auto-coupe, ce qui a été montré pour empêcher le desserrage dû à la résorption de la surface osseuse à l'interface os-vis ^29. Trépan de forage (figure 9F) est actionné par une perceuse électrique Accu Pen miniature qui produit 2.500 tours par minute avec une puissance de 500 mW (figure 9L).

Des expériences in vivo

L'examen radiologique a confirmé que tous les fixateurs de raideurs maintenus à 1 mm (non représentée) ou un 5 mm femoral défaut pendant la totalité 8 semaines de l'expérience (figure 11). Cela était particulièrement important pour les défauts de taille critique de 5 mm, où la guérison spontanée ne se produit pas. Pas de distorsion ou d'infections, y compris les infections des broches, ont été observés et la broche relâchement était absent si les instructions de l'application ont été suivis ^30. Une complication de l'utilisation du fixateur externe a été observée si le poids du rat au moment de la chirurgie a dépassé 250 g, et une plaque de taille plus petite est utilisée. Dans certains de ces cas, la charge sur les broches de montage est passé à un niveau critique de sorte que les broches coulissants se produisaient dans la partie distale du fémur allant de une semaine à deux semaines après l'intervention chirurgicale (figure 12). En plus de cela, si un animal de plus grande taille est utilisé, le tissu musculaire entourant le fémur est relativement épaisse, ce qui crée une tension de la peau au voisinage de l'implant après que la peau se ferme. En raison de l'enflure tension, lorsque la peau startes à guérir, il crée une sensation de démangeaison à l'animal faisant partie des rats mordent le fixateur. Etant donné que le fixateur est créé à partir de matériau PEEK, qui est essentiellement en matière plastique à haute densité, à de rares occasions, quelques rats étaient connus à mâcher à travers elle. Là encore, pour éviter cela, il est très important de choisir le poids recommandé pour les études chez l'animal ou de passer à la version plus grande de fixateur externe.

Figure 1 Préparation chirurgicale du fémur de rat. (A) Rat placé en position couchée. (B) montre la direction de l'incision sur le fémur. (C) Affiche incision faite dans la peau d'exposer musculaire. (D) Affiche incision pratiquée à travers le muscle pour exposer fémur. ( E) Affiche une petite pince placée sous l'os de passer Gigfil li. (F) Indique fil Gigli est passé sous de l'os.

Figure guide 2 de (A) de scie. (B) du fixateur externe coupée sur le guide de scie. (C) de guidage de scie avec le fixateur externe clipsé sur le fémur.

Figure 3 Application du fixateur externe. (A) montre la bonne application de la première broche de montage avec la plaque inclinable antéro-latéralement et parallèlement à l'os - la main verte, et la mauvaise application -. Main rouge (B) montre l'insertion de la première broche de fixation en position distale externe (C). Indique insertion de l' restant. Pins de montage à partir de la position la plus proximale, suivie par les deux axes de moyens de fixation (D) montre l'insertion de broches de montage - description plus détaillée dans la section de protocole 4.4.

Figure 4 implantation chirurgicale du fixateur externe par rapport au fémur de rat. (A) démontre l'achèvement de la procédure chirurgicale avec fixateur externe en place avec le fil Gigli. (B) Démontre créé 5 mm défaut segmentaire. (C) démontre couche musculaire suturée avec bar de la stabilité du fixateur externe exposée. (D) montre suture la peau avec exposée barre externe de la stabilité du fixateur.

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Figure 5 (A) la position initiale du fil Gigli pour la création de défauts. (B) Une image montrant le mouvement réciproque de fil Gigli.

Figure 6 Changement de fixateur externe rigidité in vivo. (A) du fixateur externe implanté sur le fémur. (B) montre la suppression de la première vis de verrouillage en tournant soigneusement dans le sens antihoraire jusqu'à ce que la broche est à mi-chemin sur. (C) montre l'enlèvement de la deuxième vis de verrouillage en tournant soigneusement dans le sens antihoraire jusqu'à ce que la broche est à mi-chemin sur. (D) Démontre retrait de l'élément de connexion sur le côté opposé. (E) Démontre le remplacement de l'élément de connexion souhaité de rigidité à la place de celui enlevé. (F) démontre comment sécuriser la première remplacé élément de liaison de l'autre côté en tournant la clé de boîte carrée jusqu'à ce que la vis de verrouillage est à mi-chemin sur le côté opposé. (G) illustre comment fixer le deuxième élément de connexion remplacé par le côté opposé en tournant la clé de boîte carrée jusqu'à ce que la vis de verrouillage est à mi-chemin sur le côté opposé. (H, I) Démontre de passer à l'autre côté de la plaque pour s'assurer que les deux vis de verrouillage sont à mi-chemin sur le côté où la connexion élément a été remplacé. (J) indique la suppression du deuxième élément de connexion. (K) indique le remplacement du deuxième élément de raccordement de la rigidité à la place de l'une enlevée. (L, M) montre entraînement des deux vis de verrouillage jusqu'à ce que le verrouillage des sorties d'extrémité de la vis le côté opposé de la plaque. (N) indique la procédure terminée.

Figure 7: Les composants des fixateurs externes gauche:. Rigidité est déterminée par des éléments de liaison de différentes épaisseurs. Le fixateur est fixé à l'os par des broches de fixation en alliage de titane. Droite: Assemblé fixateur en place sur le fémur de rat avec 5 mm défaut segmentaire.

Figure 8 fixateur externe comme une seule unité.

Figure 9 pièces et instruments conçus pour une utilisation avec le fixateur externe. (A) Deux éléments de connexion.(B) Deux modules principaux (C). Deux vis de verrouillage (D). Quatre broches de montage. (E) Un foret de 0,79 mm. (F) A 1,00 mm contre-platine pour le pré-perçage des trous. (G) A 0,7 mm clé à boîte carrée pour l'application de broches de montage. (H) Une clé à douille 0,5 mm carré pour l'application de la vis de verrouillage. (I) A 5 mm vu guide. (J) A 0,22 mm fil scie de Gigli pour la création de défaut. (K) Perceuse à main pour la fixation des mèches, 0,70 et 0,50 mm clé boîte carrée. (L) AccuPen 6V + (Miniature stylo perceuse électrique) utilisé pour piloter les forets.

Figure Assemblée 10. du fixateur externe. (A) 70% eElément de liaison pour iffness. (B) L'élément de connexion et l'un des modules principaux. (C) montre comment l'un des principaux diapositives modules à l'intérieur de l'élément de liaison (D). illustre comment les deux modules principaux coulisser à l'intérieur de l'élément de liaison . (E) démontre à la fois des modules principaux et les deux éléments de connexion en place (F) démontre barre de stabilité entièrement assemblé -. principaux modules et éléments de liaison fixées par des vis de verrouillage.

Figure 11 in vivo des images radiographiques de défauts chez les rats immédiatement après la chirurgie et 8 semaines plus tard. Fixateurs externes de tous les 3 raideurs ont été implantés chirurgicalement sur ​​les fémurs de rats et de 5 mm défauts segmentaires créés. Les défauts ont été radiographiés, immédiatement après la chirurgie (t = 0) et à weeklintervalles y jusqu'à 8 semaines (t = 8 semaines) lorsque l'expérience était terminée. Reproduit avec l'aimable autorisation de la revue eCM ( http://www.ecmjournal.org ). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 12 vivo image aux rayons X du défaut chez le rat 9 jours post-chirurgie avec les broches distales sorti (au moment de la chirurgie, le poids corporel chez le rat était de 340 g) En. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grande version de ce chiffre.

The most critical steps of a surgical procedure to create a large bone defect are: 1) choosing the appropriate body weight of the rat to match the size of the external fixator; 2) maintaining a sterile environment during the procedure; and 3) following the surgical procedure protocol.

The main goals of this study were to design, manufacture and characterize a new, variable stiffness external fixator for the rat femoral large defect model, and to use this fixator in determining the interplay between biological and mechanical factors during the healing process. The mechanical properties of the new fixators were examined at three levels and the characterization of the fixators is published in a different manuscript³⁰. The fixators were also applied to rat femora and their in vivo performance monitored radiographically for 8 weeks with and without the treatment^30,31.

The primary innovation of this fixator is its ability to exchange the stability bar connection elements to select different, standardized stiffnesses. Because the stability bar’s connection elements can be exchanged while the device is attached to the animal, the stiffness can be adjusted at different stages during the healing process. The connection elements are exchanged one at a time to prevent misalignment of the defect edges and the destruction of newly formed tissue as described in the protocol. Currently, four different stiffnesses are available, but additional stiffnesses can be achieved simply by ordering different connection elements of different thicknesses through the producer of the implant system.

The mounting pins and main frame were made from TAN and PEEK, respectively, because these materials are already used for orthopaedic implants in humans and their biocompatibility is well established. These materials also allow in vivo imaging in the early stages of fracture repair with minimal distortion, and a reduced incidence of infections. In vivo experiments confirmed that the fixators allowed clear imaging and maintained a 5 mm segmental gap for at least 8 weeks without infection or pin loosening.

As an additional design feature, the fixator has a pre-set offset of 6 mm from the bone surface to the stability bar no matter which stiffness connection elements are used. This feature makes implantation of the fixator very reproducible. Another major advantage over alternative designs described in the literature^1,18,26,27, is that the new external fixator was designed to have a minimal mass (0.32 g) to avoid uncontrolled loading due to inertia. Furthermore, after the implantation and suturing of the skin, the clearance between the implant cross bar and the skin is only about 2 mm. Such close proximity to the skin surface minimizes the moment force, which prevents the possibility of an additional loading within the defect other than the one intended from the external fixator. In addition, to keep the surgical trauma low, conventional and rotating saws were not considered as tools for creating large or small osteotomies. Such saws either cut into adjacent tissue or strip the periosteum when the tissues are retracted. In the past we have used a 4.5 mm dental burr saw to create 5 mm defects and found that it was impossible to create exact and reproducibly sized defects with parallel ends^22,26,27. To avoid all these problems we took an advantage of the Gigli wire saw of 0.22 mm. The saw guide was developed for reproducibly creating precise defects with parallel ends.

There are a few limitations when using this technique. One of the main concerns when using this external fixator is the possibility mentioned in the results section, that the rats might chew through the external fixator plate, which is made of PEEK. However, a special metal cover has recently been developed by the producer of the fixator to prevent this from happening. Likewise, an Elizabethan Collar can be used for the first couple of weeks after surgery to prevent the animal from chewing. An additional concern is that if an empty bone defect is used for the study, there is a chance that the mounting pins can pull out from the bone several weeks after the surgery. Furthermore, it is crucial that the fixator is implanted in the exact orientation that is outlined in the protocol. If the instructions are not carefully followed, there is a great risk that the mechanical environment provided by the specific stiffness fixator will not be as was intended, and will introduce an error, giving false results.

The fixators described in this paper enable investigators to undertake the experiments that are necessary to determine empirically the effects of various mechanical environments and/or mechanical (stiffness) modulation on bone healing in large defects or osteotomies^30,31. Furthermore, the external fixator technology can be used in various studies where different pharmaceuticals and biomaterials are tested to discover new therapies not only for complex fractures, but also for the treatment of standard fractures in order to accelerate the healing process.

L'auteur Romano Matthys est un employé de RISystem AG Davos, en Suisse qui produit les implants, instruments spécifiques implants et consommables utilisés dans cet article. L'auteur Vaida Glatt n'a pas d'intérêts financiers concurrents.

This work was supported by the AO foundation (S-08-42G) and RISystem AG.

We would like to extend a very big "thank you!" to Stephan Zeiter's team at the AO Research Institute Davos, Switzerland for being so accommodating in allowing us to use their OR facilities for the filming of this surgical procedure.