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Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik

Editor-in-Chief: Dössel, Olaf

Editorial Board Member: Augat, Peter / Gehring, Hartmut / Haueisen, Jens / Jockenhoevel, Stefan / Lenarz, Thomas / Leonhardt, Steffen / Niederlag, Wolfgang / Plank, Gernot / Radermacher, Klaus M. / Schkommodau, Erik / Schmitz, Georg / Stieglitz, Thomas / Witte, Herbert / Boenick, Ulrich / Jaramaz, Branislav / Kraft, Marc / Lenthe, Harry / Lo, Benny / Mainardi, Luca / Micera, Silvestro / Penzel, Thomas / Robitzki, Andrea A. / Schaeffter, Tobias / Snedeker, Jess G. / Sörnmo, Leif / Sugano, Nobuhiko / Werner, Jürgen / Wintermantel, Erich /


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Volume 57 (2012)

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An easily reproducible and biomechanically standardized model to investigate bone healing in rats, using external fixation / Ein leicht reproduzierbares und biomechanisch standardisiertes Modell zur Untersuchung der Knochenheilung in der Ratte unter Verwendung eines Fixateur Externe

Katharina Kaspar1 / Hanna Schell2 / Daniel Toben3 / Georg Matziolis4 / Hermann J. Bail5

1Musculoskeletal Research Center Berlin, Center for Musculoskeletal Surgery, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Free and Humboldt University of Berlin, Berlin, Germany

2Musculoskeletal Research Center Berlin, Center for Musculoskeletal Surgery, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Free and Humboldt University of Berlin, Berlin, Germany

3Musculoskeletal Research Center Berlin, Center for Musculoskeletal Surgery, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Free and Humboldt University of Berlin, Berlin, Germany

4Musculoskeletal Research Center Berlin, Center for Musculoskeletal Surgery, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Free and Humboldt University of Berlin, Berlin, Germany

5Musculoskeletal Research Center Berlin, Center for Musculoskeletal Surgery, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Free and Humboldt University of Berlin, Berlin, Germany

Corresponding author: Katharina Kaspar, Musculoskeletal Research Center Berlin, Center for Musculoskeletal Surgery, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Free and HumboldtUniversity of Berlin, Augustenburger Platz 1, Forum 4, Psf. 24, D-13353 Berlin, Germany Phone: +49-30-450-515086/450-652007 Fax: +49-30-450-559969

Citation Information: Biomedizinische Technik. Volume 52, Issue 6, Pages 383–390, ISSN (Online) 1862278X, ISSN (Print) 00135585, DOI: 10.1515/BMT.2007.063, November 2007

Publication History

Published Online:
2007-11-29

Abstract

We have established a new small animal model to investigate the process of bone regeneration. A total of 42 male Sprague-Dawley rats received an osteotomy of the left femur, stabilized with a custom-made external fixator. The fixation method was chosen to create an easily reproducible, biomechanically well-defined model with minimized interference of the implant with the healing zone. At 14 or 56 days post-operation, the animals were sacrificed and examined biomechanically, histologically and radiologically. Radiologically, the femurs of all animals were anatomically positioned directly post-operation and remained in that position throughout the examination period. At 14 days post-operation, a typical periosteal callus formation could be observed both histologically and radiologically. At 56 days post-operation, the osteotomy was almost completely bridged by periosteal callus and the biomechanical competence of the bones was fully restored. Relative to the intact contralateral femur, the torsional stiffness median was 130.3% (interquartile range 118.9–157.7%) and the maximum torsional failure moment median was 135.6% (interquartile range 69.5–208.7%). As this model provides standardized conditions, it is suitable for a wide range of investigations and is particularly valuable for investigations of locally applied therapies, such as osteoconductive materials or osteoinductive factors.

Zusammenfassung

Wir haben ein neues Kleintiermodell zur Untersuchung der Prozesse der Knochenregeneration etabliert. Bei 42 männlichen Sprague-Dawley-Ratten wurde das linke Femur osteotomiert und mittels eines speziell gefertigten Fixateur Externe stabilisiert. Diese Fixierungsmethode wurde gewählt, um ein leicht reproduzierbares, biomechanisch gut definiertes Modell mit minimaler Beeinflussung der Heilungszone durch das Implantat zu schaffen. 14 bzw. 56 Tage postoperativ wurden die Tiere getötet und biomechanisch, histologisch und radiologisch untersucht. Radiologisch zeigten alle Tiere sowohl direkt postoperativ als auch über den Verlauf des Untersuchungszeitraums eine anatomisch korrekte Reposition des Knochens. 14 Tage postoperativ zeigte sich histologisch wie radiologisch die typische Bildung von periostalem Kallus. 56 Tage postoperativ war die Osteotomie zumeist komplett durch periostalen Knochen überbrückt und die biomechanische Kompetenz des Knochens vollständig wieder hergestellt. Bezogen auf das jeweils intakte kontralaterale Os femoris lag die Torsionssteifigkeit im Median bei 130,3% (Inter-Quartilsabstand= 118,9–157,7%) und das maximale Torsionsmoment im Median bei 135,6% (Inter-Quartilsabstand=69,5– 208,7%). Aufgrund der sehr gut standardisierbaren Bedingungen des Modells eignet es sich für unterschiedlichste Untersuchungen, insbesondere für die Erforschung lokal angewandter Therapien, wie z.B. osteokonduktiver Materialien oder osteoinduktiver Faktoren.

Keywords: bone healing; femur; osteotomy; rotation and axial stability; small animal model; Femur; Kleintiermodell; Knochenheilung; Osteotomie; Rotations- und axiale Stabilität

Citing Articles

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