不同皮質(zhì)骨厚度區(qū)域的加載正畸微種植體骨整合的組織形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)分析

付予喬

(綿陽市三臺(tái)人民醫(yī)院口腔科，四川 綿陽 621100)

近年來，基于骨整合理論的微種植體被廣泛作為骨絕對(duì)支抗用于輔助正畸牙移動(dòng)[1-2]。與傳統(tǒng)骨內(nèi)種植體相比，微種植體具有體積小，植入簡(jiǎn)單，手術(shù)創(chuàng)傷小和價(jià)錢低等優(yōu)點(diǎn)[3]。雖然微種植體在正畸治療完成后要取出，但有報(bào)道顯示其折裂或松脫率高達(dá)30%[4]。大量臨床研究致力于找出影響微種植體穩(wěn)定性的因素[4-6]。最近，各根間區(qū)皮質(zhì)骨厚度(cortical bone thickness，CBT)的研究成為研究熱點(diǎn)，試圖為臨床上微種植體的植入提供最佳解剖位置的參考[7-9]。關(guān)于骨質(zhì)和骨量對(duì)于牙科種植體的初始穩(wěn)定性及長(zhǎng)期成功率的影響目前仍存在爭(zhēng)議[10]。有研究證明較厚的皮質(zhì)骨與較高的微種植體成功率相關(guān)，并建議臨床上CBT至少達(dá)到1 mm[11]。據(jù)此理論，具有較大CBT的下頜骨微種植體成功率應(yīng)高于上頜骨，也得到一些實(shí)驗(yàn)的支持[12-13]。然而，一些來自人和動(dòng)物的報(bào)道卻恰好相反[2,4,14-15]。這種矛盾除了源于上下頜骨的血液供應(yīng)不同，也很可能與其骨質(zhì)、骨量等因素密切相關(guān)。到目前為止，關(guān)于CBT對(duì)于加載正畸微種植體穩(wěn)定性的影響仍無明確答案。因此，本研究旨在通過顯微CT和拉拔試驗(yàn)手段探討不同CBT在不同愈合時(shí)間對(duì)加載正畸用微種植體穩(wěn)定性和骨整合的影響。

1 材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 選擇四川大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心的健康雄性成年Beagle犬12只，平均體質(zhì)量(11.7±2.1) kg，年齡(23.0±1.8)個(gè)月。依據(jù)種植釘植入?yún)^(qū)皮質(zhì)骨厚度分為厚CBT組與薄CBT組，厚CBT組與薄CBT組微種植體分別在距近中干骺端4 cm和2 cm處植入。所有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均經(jīng)過四川大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2實(shí)驗(yàn)材料 Aarhus microscrew自攻型純鈦微種植體(德國Medicon公司)，種植體規(guī)格：直徑1.6 mm，總長(zhǎng)度9 mm，螺紋部分長(zhǎng)度6 mm；戊巴比妥鈉、利多卡因、腎上腺素、注射用青霉素鈉(華北制藥)；高速渦輪機(jī)(CS181，上海器械公司)；10%甲醛；4%甲基丙烯酸甲酯包埋液；顯微CT(瑞士Scanco Medical公司)；AG-IS萬能力學(xué)測(cè)試儀(日本，拉伸測(cè)試裝備公司)。

1.3手術(shù)方法 使用3%注射用異戊巴比妥鈉(上海新亞藥業(yè)有限公司,國藥準(zhǔn)字:H31021725)1.0 mL/kg靜脈麻醉后，局部浸潤(rùn)2%鹽酸利多卡因注射液(西安利君制藥有限責(zé)任公司，國藥準(zhǔn)字H61021843)復(fù)合1∶80 000腎上腺素(開封制藥集團(tuán)有限公司，國藥準(zhǔn)字:H41022507)，碘伏消毒，鈍性分離暴露脛骨骨干，低速引導(dǎo)鉆定位，鉆開皮質(zhì)骨，使用手動(dòng)就位器在脛骨近中距離干骺端為4 cm和2 cm處分別植入1枚微種植釘，直至肩臺(tái)與骨面無間隙。由于CBT從脛骨干骺端到骨干中央逐漸增厚，上述兩個(gè)植入位點(diǎn)分別用于代表厚CBT區(qū)和薄CBT區(qū)。術(shù)后即刻于脛骨干骺端一側(cè)的兩個(gè)微種植體間安置鎳鈦螺旋拉簧，加載2 N的力，方向均垂直于種植體植入方向且平行于脛骨。術(shù)后1～3 d給予注射用青霉素鈉(80萬U/d)(石藥集團(tuán)中諾藥業(yè)有限公司，國藥準(zhǔn)字:H20023706)肌內(nèi)注射預(yù)防感染，實(shí)驗(yàn)期間攝入半流質(zhì)飲食以避免硬質(zhì)食物對(duì)微種植體的撞擊，觀察其體質(zhì)量、毛發(fā)、食欲、糞便、活動(dòng)、牙周及微種植體松動(dòng)情況。

1.4檢測(cè)樣本制備 在預(yù)定時(shí)間用過量戊巴比妥鈉處死動(dòng)物，取下帶微種植體的脛骨，用渦輪機(jī)將標(biāo)本修整成10 mm×10 mm×6 mm組織塊，要求每個(gè)組織塊包含一枚種植釘和其周圍至少5 mm的 骨質(zhì)，無軟組織，其上端近、遠(yuǎn)中的CBT均用游標(biāo)卡尺測(cè)量。樣本用10%甲醛溶液4 ℃固定，要做拉拔試驗(yàn)的樣本甲基丙稀酸甲酯包埋。

1.5顯微CT檢測(cè) 樣本固定2周后用于顯微CT檢測(cè)。掃描參數(shù)設(shè)定為電壓70 kV，測(cè)量時(shí)間300 ms，電流114 mA。通過1000次發(fā)射獲得CT掃描斷層，空間分辨率為20 μm。為進(jìn)一步行定性和定量三維分析，用CT分析軟件對(duì)斷層圖像進(jìn)行重建。種植體周圍1.0 mm范圍內(nèi)的皮質(zhì)骨均設(shè)定為感興趣區(qū)域，并計(jì)算以下形態(tài)學(xué)參數(shù)：皮質(zhì)骨體積密度(骨體積/總體積)(bone volumn/total volumn，BV/TV)和相交表面(與骨表面接觸的微種植體)(intersection surface，IS)。骨整合(osseointegration，OI)由IS與骨內(nèi)微種植體表面積間的比值計(jì)算而來。

1.6拉拔試驗(yàn) 骨樣本用聚甲基丙烯酸甲酯包埋后，用萬能力學(xué)測(cè)試儀緊緊鉗夾組織塊，夾具夾住微種植體頭部(圖2C，D)。拉拔試驗(yàn)中盡量使微種植體長(zhǎng)軸與測(cè)試儀的軸平行，以避免材料彎曲，只記錄軸向拉伸強(qiáng)度。微種植體以0.05 mm/s的正交速度被拉出，監(jiān)測(cè)施加應(yīng)力及拉拔峰值載荷(Fmax)。

2 結(jié) 果

2.1實(shí)驗(yàn)大體情況 12只Beagle犬在植入微種植體后1、3、5、7周分別處死3只。薄CBT組和厚CBT組1、3、5、7周植入微種植體均保持穩(wěn)定，未見松動(dòng)脫落。薄CBT組和厚CBT組1、3、5、7周的CBT比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)(表1)。

2.2兩組不同時(shí)點(diǎn)間OI、BV/TV、IS、Fmax的比較 植入后第1周，薄CBT組的OI、BV/TV、IS、Fmax均低于厚CBT組(P<0.05)(圖1)。植入后第3周，薄CBT組的OI、BV/TV、IS均較第1周有顯著增長(zhǎng)(P<0.05)，F(xiàn)max增長(zhǎng)不顯著(P>0.05)；厚CBT組，上述四個(gè)指標(biāo)第3周均較第1周顯著降低，其中Fmax在3周降到最低點(diǎn)(P<0.05)。植入后3周，厚CBT組上述指標(biāo)仍高于薄CBT組(P<0.05)(圖1)。

植入后第5周，薄CBT組OI、BV/TV、IS的形態(tài)學(xué)指標(biāo)繼續(xù)隨愈合時(shí)間延長(zhǎng)而升高，但仍顯著低于厚CBT組(P<0.05)。厚CBT組Fmax開始輕度上升，但與第3周比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。薄CBT組的Fmax仍顯著低于厚CBT組(P<0.05)(圖1)。

植入后第7周，薄CBT組的OI、BV/TV、IS、Fmax較第5周均有不同程度的增加，其中BV/TV、IS、Fmax的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而厚CBT組各項(xiàng)指標(biāo)在第5和第7周間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。比較兩組，厚CBT組OI、BV/TV、IS、Fmax仍高于薄CBT組，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。這些指標(biāo)的變化呈時(shí)間依賴性(圖4)。

表1 兩組不同時(shí)點(diǎn)間微種植體植入位點(diǎn)的CBT比較 (mm)

A ：骨整合；B：松質(zhì)骨體積密度；C：相交表面；D：最大拉拔力※與薄CBT組比較，P<0.05 Thin CBT:：薄皮質(zhì)骨；Tjick CBT：厚皮質(zhì)骨；Healing time:：愈合時(shí)間

3 討 論

微種植體由于體積小，其植入位點(diǎn)的解剖限制少，而皮質(zhì)骨的厚度亦隨植入?yún)^(qū)域的不同而異。本研究為了充分排除其他干擾因素對(duì)微種植體穩(wěn)定性的影響，選取脛骨作為植入位點(diǎn)。脛骨具有外形規(guī)則、皮/松質(zhì)骨界限清晰、CBT從干骺端到骨干中央逐漸增大等長(zhǎng)骨的典型解剖特征，能夠準(zhǔn)確、方便地測(cè)量其CBT。在本研究中，選擇脛骨干骺端附近區(qū)域作為薄CBT組微種植體的植入位點(diǎn)，鄰近骨干中央部位的區(qū)域作為厚CBT組的植入點(diǎn)，這樣就排除了復(fù)雜的口腔環(huán)境對(duì)微種植體穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明在不同愈合時(shí)間點(diǎn)，兩組的CBT差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

本研究采用基于高分辨率顯微CT的形態(tài)學(xué)測(cè)量技術(shù)來評(píng)價(jià)植入不同CBT區(qū)域微種植體的穩(wěn)定性，該技術(shù)從三維層面觀察骨與種植體之間的界面，能提供比傳統(tǒng)組織形態(tài)學(xué)測(cè)量更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，且檢測(cè)過程無創(chuàng)，有效降低了臨床前研究動(dòng)物的使用數(shù)量。本研究結(jié)果提示，厚CBT組的OI、BV/TV和IS在1、3、5、7周各時(shí)間點(diǎn)均高于薄CBT組，且這些顯微CT參數(shù)在薄CBT組均隨愈合時(shí)間延長(zhǎng)而增加，在厚CBT組則相反，導(dǎo)致兩組間各項(xiàng)指標(biāo)的差距逐漸減小。然而，當(dāng)種植體-骨界面有新生骨和軟骨形成時(shí)，由于顯微CT無法顯示類骨質(zhì)，計(jì)算所得的OI值將低于實(shí)際值。

基于上述考慮，又設(shè)計(jì)了生物力學(xué)測(cè)試加以驗(yàn)證。由于本實(shí)驗(yàn)中采用的微種植體為螺旋型，可將拉拔力有效轉(zhuǎn)化為剪切力并轉(zhuǎn)移到與之接觸的骨上，因此選擇拉拔試驗(yàn)來反映種植體-骨界面的骨狀況[16-17]。微種植體的生物力學(xué)信息能提供更好的種植體設(shè)計(jì)，降低臨床風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于臨床醫(yī)師十分重要。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，厚CBT組微種植體的Fmax植入后迅速升高，1周時(shí)即達(dá)最大值，但在3周又降到最低。隨愈合時(shí)間的延長(zhǎng)，薄CBT組的微種植體穩(wěn)定性的增長(zhǎng)幅度大于厚CBT組，導(dǎo)致第7周時(shí)兩組間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

根據(jù)組織形態(tài)學(xué)檢測(cè)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：①在各階段，皮質(zhì)骨的新骨形成和骨重建活動(dòng)均顯著少于松質(zhì)骨；②薄CBT組的松質(zhì)骨形成顯著多于厚CBT組。其中的機(jī)制可能是薄CBT組機(jī)械應(yīng)力更容易傳遞至皮質(zhì)骨下方的松質(zhì)骨，而其致密分布、具有編織骨樣結(jié)構(gòu)的松質(zhì)骨也有助于新骨形成。另外，微種植體壓力側(cè)的骨形成多于張力側(cè)，更說明了應(yīng)力刺激能促進(jìn)骨形成。結(jié)合形態(tài)學(xué)和力學(xué)測(cè)試結(jié)果，證明了厚CBT組的微種植體能獲得更高的初期穩(wěn)定性，這與之前很多研究相符[6,18]。但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，厚CBT組的OI和Fmax反而下降，其中Fmax在第3周達(dá)最低值，而薄CBT組這兩個(gè)指標(biāo)均增加。推測(cè)原因可能如下：①薄CBT區(qū)域的骨小梁分布越致密，骨礦化越好，越有利于微種植體二期穩(wěn)定性的獲得，這被熒光標(biāo)記實(shí)驗(yàn)所證實(shí)；②厚CBT區(qū)域的血供和骨再生能力相對(duì)較差，對(duì)微種植體植入后帶來的損傷的適應(yīng)性較低；③厚CBT區(qū)域骨的可塑性低于薄CBT區(qū)，導(dǎo)致有益的機(jī)械應(yīng)力刺激難以傳遞到皮質(zhì)骨下的松質(zhì)骨內(nèi)。

另外，正畸牙移動(dòng)最適宜的力值大小是0.3～4 N，比本研究中拉拔試驗(yàn)所用的拉拔力小得多，因此目前正畸臨床上對(duì)臨時(shí)支抗裝置施加的各種力值仍可在治療的各個(gè)階段放心使用。而本研究帶來的新的提示是，臨時(shí)支抗應(yīng)有選擇性地安置在皮質(zhì)骨量充足、血供豐富的解剖安全區(qū)。該課題可為臨床正畸醫(yī)師制訂最優(yōu)治療策略，達(dá)到最佳療效提供基礎(chǔ)。

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