不同皮質骨厚度區域的加載正畸微種植體骨整合的組織形態學和生物力學分析

付予喬

(綿陽市三臺人民醫院口腔科，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支抗用于輔助正畸牙移動[1-2]。與傳統骨內種植體相比，微種植體具有體積小，植入簡單，手術創傷小和價錢低等優點[3]。雖然微種植體在正畸治療完成后要取出，但有報道顯示其折裂或松脫率高達30%[4]。大量臨床研究致力于找出影響微種植體穩定性的因素[4-6]。最近，各根間區皮質骨厚度(cortical bone thickness，CBT)的研究成為研究熱點，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]。關于骨質和骨量對于牙科種植體的初始穩定性及長期成功率的影響目前仍存在爭議[10]。有研究證明較厚的皮質骨與較高的微種植體成功率相關，并建議臨床上CBT至少達到1 mm[11]。據此理論，具有較大CBT的下頜骨微種植體成功率應高于上頜骨，也得到一些實驗的支持[12-13]。然而，一些來自人和動物的報道卻恰好相反[2,4,14-15]。這種矛盾除了源于上下頜骨的血液供應不同，也很可能與其骨質、骨量等因素密切相關。到目前為止，關于CBT對于加載正畸微種植體穩定性的影響仍無明確答案。因此，本研究旨在通過顯微CT和拉拔試驗手段探討不同CBT在不同愈合時間對加載正畸用微種植體穩定性和骨整合的影響。

1 材料與方法

1.1實驗動物 選擇四川大學實驗動物中心的健康雄性成年Beagle犬12只，平均體質量(11.7±2.1) kg，年齡(23.0±1.8)個月。依據種植釘植入區皮質骨厚度分為厚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。所有動物實驗均經過四川大學實驗動物倫理委員會批準。

1.2實驗材料 Aarhus microscrew自攻型純鈦微種植體(德國Medicon公司)，種植體規格：直徑1.6 mm，總長度9 mm，螺紋部分長度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(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萬能力學測試儀(日本，拉伸測試裝備公司)。

1.3手術方法 使用3%注射用異戊巴比妥鈉(上海新亞藥業有限公司,國藥準字:H31021725)1.0 mL/kg靜脈麻醉后，局部浸潤2%鹽酸利多卡因注射液(西安利君制藥有限責任公司，國藥準字H61021843)復合1∶80 000腎上腺素(開封制藥集團有限公司，國藥準字:H41022507)，碘伏消毒，鈍性分離暴露脛骨骨干，低速引導鉆定位，鉆開皮質骨，使用手動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，上述兩個植入位點分別用于代表厚CBT區和薄CBT區。術后即刻于脛骨干骺端一側的兩個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。術后1～3 d給予注射用青霉素鈉(80萬U/d)(石藥集團中諾藥業有限公司，國藥準字:H20023706)肌內注射預防感染，實驗期間攝入半流質飲食以避免硬質食物對微種植體的撞擊，觀察其體質量、毛發、食欲、糞便、活動、牙周及微種植體松動情況。

1.4檢測樣本制備 在預定時間用過量戊巴比妥鈉處死動物，取下帶微種植體的脛骨，用渦輪機將標本修整成10 mm×10 mm×6 mm組織塊，要求每個組織塊包含一枚種植釘和其周圍至少5 mm的 骨質，無軟組織，其上端近、遠中的CBT均用游標卡尺測量。樣本用10%甲醛溶液4 ℃固定，要做拉拔試驗的樣本甲基丙稀酸甲酯包埋。

1.5顯微CT檢測 樣本固定2周后用于顯微CT檢測。掃描參數設定為電壓70 kV，測量時間300 ms，電流114 mA。通過1000次發射獲得CT掃描斷層，空間分辨率為20 μm。為進一步行定性和定量三維分析，用CT分析軟件對斷層圖像進行重建。種植體周圍1.0 mm范圍內的皮質骨均設定為感興趣區域，并計算以下形態學參數：皮質骨體積密度(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與骨內微種植體表面積間的比值計算而來。

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

2 結 果

2.1實驗大體情況 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定，未見松動脫落。薄CBT組和厚CBT組1、3、5、7周的CBT比較差異均有統計學意義(P<0.05)(表1)。

2.2兩組不同時點間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(P<0.05)，Fmax增長不顯著(P>0.05)；厚CBT組，上述四個指標第3周均較第1周顯著降低，其中Fmax在3周降到最低點(P<0.05)。植入后3周，厚CBT組上述指標仍高于薄CBT組(P<0.05)(圖1)。

植入后第5周，薄CBT組OI、BV/TV、IS的形態學指標繼續隨愈合時間延長而升高，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周比較差異無統計學意義(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的差異有統計學意義(P<0.05)，而厚CBT組各項指標在第5和第7周間的差異均無統計學意義(P>0.05)。比較兩組，厚CBT組OI、BV/TV、IS、Fmax仍高于薄CBT組，但差異無統計學意義(P>0.05)。這些指標的變化呈時間依賴性(圖4)。

表1 兩組不同時點間微種植體植入位點的CBT比較 (mm)

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

3 討 論

微種植體由于體積小，其植入位點的解剖限制少，而皮質骨的厚度亦隨植入區域的不同而異。本研究為了充分排除其他干擾因素對微種植體穩定性的影響，選取脛骨作為植入位點。脛骨具有外形規則、皮/松質骨界限清晰、CBT從干骺端到骨干中央逐漸增大等長骨的典型解剖特征，能夠準確、方便地測量其CBT。在本研究中，選擇脛骨干骺端附近區域作為薄CBT組微種植體的植入位點，鄰近骨干中央部位的區域作為厚CBT組的植入點，這樣就排除了復雜的口腔環境對微種植體穩定性的影響，實驗結果也表明在不同愈合時間點，兩組的CBT差異有統計學意義。

本研究采用基于高分辨率顯微CT的形態學測量技術來評價植入不同CBT區域微種植體的穩定性，該技術從三維層面觀察骨與種植體之間的界面，能提供比傳統組織形態學測量更精準的數據，且檢測過程無創，有效降低了臨床前研究動物的使用數量。本研究結果提示，厚CBT組的OI、BV/TV和IS在1、3、5、7周各時間點均高于薄CBT組，且這些顯微CT參數在薄CBT組均隨愈合時間延長而增加，在厚CBT組則相反，導致兩組間各項指標的差距逐漸減小。然而，當種植體-骨界面有新生骨和軟骨形成時，由于顯微CT無法顯示類骨質，計算所得的OI值將低于實際值。

基于上述考慮，又設計了生物力學測試加以驗證。由于本實驗中采用的微種植體為螺旋型，可將拉拔力有效轉化為剪切力并轉移到與之接觸的骨上，因此選擇拉拔試驗來反映種植體-骨界面的骨狀況[16-17]。微種植體的生物力學信息能提供更好的種植體設計，降低臨床風險，對于臨床醫師十分重要。本實驗結果顯示，厚CBT組微種植體的Fmax植入后迅速升高，1周時即達最大值，但在3周又降到最低。隨愈合時間的延長，薄CBT組的微種植體穩定性的增長幅度大于厚CBT組，導致第7周時兩組間的差異無統計學意義。

根據組織形態學檢測結果，可以得出以下結論：①在各階段，皮質骨的新骨形成和骨重建活動均顯著少于松質骨；②薄CBT組的松質骨形成顯著多于厚CBT組。其中的機制可能是薄CBT組機械應力更容易傳遞至皮質骨下方的松質骨，而其致密分布、具有編織骨樣結構的松質骨也有助于新骨形成。另外，微種植體壓力側的骨形成多于張力側，更說明了應力刺激能促進骨形成。結合形態學和力學測試結果，證明了厚CBT組的微種植體能獲得更高的初期穩定性，這與之前很多研究相符[6,18]。但隨著時間延長，厚CBT組的OI和Fmax反而下降，其中Fmax在第3周達最低值，而薄CBT組這兩個指標均增加。推測原因可能如下：①薄CBT區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定性的獲得，這被熒光標記實驗所證實；②厚CBT區域的血供和骨再生能力相對較差，對微種植體植入后帶來的損傷的適應性較低；③厚CBT區域骨的可塑性低于薄CBT區，導致有益的機械應力刺激難以傳遞到皮質骨下的松質骨內。

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

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