Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tiền xử lý bằng ribose có thể bảo vệ tuổi thọ mệt mỏi của xương được tiệt trùng bằng γ-chiếu xạ
Tóm tắt
Xương ghép allograft cấu trúc thường được tiệt trùng bằng γ-chiếu xạ để giảm nguy cơ nhiễm trùng, tuy nhiên điều này lại làm suy giảm tính kết nối collagen trong xương, khiến xương trở nên yếu và giòn. Trong các nghiên cứu trước đây, chúng tôi đã thành công trong việc bảo vệ các tính chất cơ học tĩnh gần như của xương vỏ người bằng cách tiền xử lý bằng ribose trước khi chiếu xạ. Nghiên cứu này tập trung vào các tính chất kéo tĩnh gần như và mệt mỏi của các xương ghép allograft được tiệt trùng bằng chiếu xạ và tiền xử lý bằng ribose. Bảy mươi lăm mẫu được cắt từ phần giữa của xương đùi người thành các hình dạng tiêu chuẩn giống như hình cái xương cho các thử nghiệm kéo tĩnh gần như và mệt mỏi. Các mẫu vật được chuẩn bị thành các bộ ba mẫu liền kề. Mỗi bộ gồm một nhóm bình thường (N), nhóm đã chiếu xạ (I) và nhóm đã tiền xử lý bằng ribose + chiếu xạ (R). Nhóm R được ủ trong dung dịch ribose 1.2 M trước khi chiếu xạ γ. Các thử nghiệm kéo tĩnh gần như và giải khoáng được tiến hành cho đến khi phá hủy dưới sự điều khiển dịch chuyển. Các mẫu mệt mỏi được thử nghiệm dưới tải trọng chu kỳ (10 Hz, áp lực cực đại 45MP, tỷ lệ áp lực tối thiểu-so với tối đa là 0.1) cho đến khi phá hủy hoặc đạt 10 triệu chu kỳ. Tiền xử lý bằng ribose đã cải thiện rõ rệt các tính chất cơ học của xương người được tiệt trùng bằng chiếu xạ trong các thử nghiệm kéo tĩnh gần như và giải khoáng. Tuổi thọ mệt mỏi của nhóm đã chiếu xạ bị giảm đến 99% so với nhóm kiểm soát bình thường. Đáng ngạc nhiên, nhóm R có các tính chất vượt trội rõ rệt so với nhóm I và nhóm N (p < 0.01, p < 0.05) (> 100%). Nghiên cứu này cho thấy rằng việc ủ xương vỏ người trong dung dịch ribose trước khi chiếu xạ thực sự có thể cải thiện tuổi thọ mệt mỏi của xương allograft vỏ người được tiệt trùng bằng chiếu xạ.
Từ khóa
#ribose #xương ghép allograft #γ-chiếu xạ #tính chất cơ học #tuổi thọ mệt mỏi #tiệt trùngTài liệu tham khảo
Akkus O, Belaney RM (2005) Sterilization by gamma radiation impairs the tensile fatigue life of cortical bone by two orders of magnitude. J Orthop Res 23:1054–1058. https://doi.org/10.1016/j.orthres.2005.03.003
Akkus O, Rimnac CM (2001) Fracture resistance of gamma radiation sterilized cortical bone allografts. J Orthop Res 19:927–934. https://doi.org/10.1016/S0736-0266(01)00004-3
Akkus O, Belaney RM, Das P (2005) Free radical scavenging alleviates the biomechanical impairment of gamma radiation sterilized bone tissue. J Orthop Res 23:838–845. https://doi.org/10.1016/j.orthres.2005.01.007
Andreaus UA, Colloca M, Toscano A (2008) Mechanical behaviour of a prosthesized human femur: a comparative analysis between walking and stair climbing by using the finite element method. Biophys Bioeng Lett 1(3):1–15
Attia T, Woodside M, Minhas G et al (2017) Development of a novel method for the strengthening and toughening of irradiation-sterilized bone allografts. Cell Tissue Bank. https://doi.org/10.1007/s10561-017-9634-5
Barth HD, Zimmermann EA, Schaible E et al (2011) Characterization of the effects of X-ray irradiation on the hierarchical structure and mechanical properties of human cortical bone. Biomaterials 32:8892–8904. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.08.013
Burton B, Gaspar A, Josey D et al (2014) Bone embrittlement and collagen modifications due to high-dose gamma-irradiation sterilization. Bone 61:71–81. https://doi.org/10.1016/j.bone.2014.01.006
Caler WE, Carter DR (1989) Bone creep-fatigue damage accumulation. J Biomech 22:625–635
Carter DR, Caler WE (1985) A cumulative damage model for bone fracture. J Orthop Res 3:84–90. https://doi.org/10.1002/jor.1100030110
Cowin SC (2001) Bone mechanics handbook. CRC Press, Boca Raton
Currey John D (2003) Role of collagen and other organics in the mechanical properties of bone. Osteoporos Int 14(Suppl 5):S29–S36. https://doi.org/10.1007/s00198-003-1470-8
Currey JD, Foreman J, Laketić I et al (1997) Effects of ionizing radiation on the mechanical properties of human bone. J Orthop Res 15:111–117. https://doi.org/10.1002/jor.1100150116
Dziedzic-Goclawska A, Kaminski A, Uhrynowska-Tyszkiewicz I, Stachowicz W (2005) Irradiation as a safety procedure in tissue banking. Cell Tissue Bank 6:201–219. https://doi.org/10.1007/s10561-005-0338-x
Goldberg VM (2008) Biology of bone allograft and clinical applications. In: Pietrzak W (ed) Musculoskeletal tissue regeneration: biological materials and methods. Humana Press, New York, pp 81–92
Hamer AJ, Stockley I, Elson RA (1999) Changes in allograft bone irradiated at different temperatures. J Bone Joint Surg Br 81:342–344
Islam A, Chapin K, Moore E et al (2016) Gamma radiation sterilization reduces the high-cycle fatigue life of allograft bone. Clin Orthop Relat Res 474:827–835. https://doi.org/10.1007/s11999-015-4589-y
Kaminski A, Jastrzebska A, Grazka E et al (2012) Effect of gamma irradiation on mechanical properties of human cortical bone: influence of different processing methods. Cell Tissue Bank 13:363–374. https://doi.org/10.1007/s10561-012-9308-2
Kawaguchi S, Hart R (2015) The need for structural allograft biomechanical guidelines. J Am Acad 23:119–125. https://doi.org/10.5435/jaaos-d-14-00263
Lakes RS, Katz JL (1979) Viscoelastic properties of wet cortical bone–II. Relaxation mechanisms. J Biomech 12:679–687
Martelli S, Pivonka P, Ebeling PR (2014) Femoral shaft strains during daily activities: implications for atypical femoral fractures. Clin Biomech 29:869–876. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2014.08.001
Martin RB, Burr DB, Sharkey NA, Fyhrie DP (2015) Skeletal tissue mechanics. Springer, Berlin
Mitchell EJ, Stawarz AM, Kayacan R, Rimnac CM (2004) The effect of gamma radiation sterilization on the fatigue crack propagation resistance of human cortical bone. J Bone Jt Surg Am 86-A:2648–2657
Nguyen H, Morgan DAF, Forwood MR (2007) Sterilization of allograft bone: effects of gamma irradiation on allograft biology and biomechanics. Cell Tissue Bank 8:93–105. https://doi.org/10.1007/s10561-006-9020-1
Nguyen H, Morgan DAF, Sly LI et al (2008) Validation of 15 kGy as a radiation sterilisation dose for bone allografts manufactured at the Queensland Bone Bank: application of the VDmax 15 method. Cell Tissue Bank 9:139–147. https://doi.org/10.1007/s10561-008-9064-5
Pattin CA, Caler WE, Carter DR (1996) Cyclic mechanical property degradation during fatigue loading of cortical bone. J Biomech 29:69–79
Russell NA, Rives A, Pelletier MH et al (2013) The effect of sterilization on the mechanical properties of intact rabbit humeri in three-point bending, four-point bending and torsion. Cell Tissue Bank 14:231–242. https://doi.org/10.1007/s10561-012-9318-0
Salehpour A, Butler DL, Proch FS et al (1995) Dose-dependent response of gamma irradiation on mechanical properties and related biochemical composition of goat bone-patellar tendon-bone allografts. J Orthop Res 13:898–906. https://doi.org/10.1002/jor.1100130614
Sasaki N, Yoshikawa M (1993) Stress relaxation in native and EDTA-treated bone as a function of mineral content. J Biomech 26:77–83
Wang X, Bank RA, TeKoppele JM et al (2000) Effect of collagen denaturation on the toughness of bone. Clin Orthop Relat Res 371:228–239
Wang Z, Vashishth D, Picu RC (2018) Bone toughening through stress-induced non-collagenous protein denaturation. Biomech Model Mechanobiol 17:1–14. https://doi.org/10.1007/s10237-018-1016-9
Willett TL, Burton B, Woodside M et al (2015) γ-Irradiation sterilized bone strengthened and toughened by ribose pre-treatment. J Mech Behav Biomed Mater 44:147–155. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2015.01.003
Winwood K, Zioupos P, Currey JD et al (2006) Strain patterns during tensile, compressive, and shear fatigue of human cortical bone and implications for bone biomechanics. J Biomed Mater Res A 79:289–297. https://doi.org/10.1002/jbm.a.30796
Woodside M, Willett TL (2016) Elastic–plastic fracture toughness and rising JR-curve behavior of cortical bone is partially protected from irradiation–sterilization-induced degradation by ribose protectant. J Mech Behav Biomed Mater 64:53–64. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2016.07.001
Zioupos P, Hamer AJ, Zioupos P et al (1999) The role of collagen in the declining mechanical properties of aging human cortical bone. J Biomed Mater Res 4636:108–116. https://doi.org/10.1002/(sici)1097-4636(199905)45