基于單軸壓縮實驗初探人牙槽骨不同部位松質骨力學性能

唐苗寧,吳 斌,劉 懋,史學明,袁 樂,唐 雯,曹 丹,嚴 斌

在正畸治療中,施加于牙冠上的矯治力是使牙齒發生移動的始動因素,而牙周組織的力學響應則是引起牙移動和影響牙移動速率的決定因素,其中牙槽骨中的松質骨作為改建的主體,對牙移動的影響尤為關鍵[1-2]。

牙槽骨作為全身改建最為活躍的骨組織,主要由皮質骨、松質骨和固有牙槽骨組成,其中松質骨由羥基磷灰石、膠原和水組成,具有非均質性、黏彈性、各向異性等特點。目前已有大量研究表明松質骨具有非常復雜的力學性能,這與其具備的復雜結構和成分直接相關[3-5]。此外,以往研究還表明牙根不同層面(根頸部、根中部及根尖部)的牙周膜存在纖維數量、形態及力學性能差異[6-7]。因而,牙槽松質骨的力學性能應該也會隨著牙根層面的不同有一定的差異,但是目前對牙槽松質骨的研究較少,牙槽松質骨的形態多樣性和結構復雜性給其力學性能的研究帶來了挑戰。相較于長骨組織,牙槽松質骨含量較少,周圍有牙根、皮質骨及牙周膜等組織,較難分離。因而,以往研究多為對牙槽骨力學性能的整體研究[8-9],并沒有單獨研究松質骨。同時這些研究多為動物骨組織研究,并不能完全反映人類組織的特性。王玉東等[10-11]通過錐形束CT掃描牙槽骨,發現同一頜骨前牙區的牙槽松質骨密度可能大于后牙區,但掃描精度還需進一步提升。目前對牙根不同層面牙槽松質骨的力學性能及利用分辨率更高的micro-CT觀測微觀結構的研究較少。以往研究表明,當相同正畸力通過矯治器傳遞于牙周膜至牙槽松質骨時,牙槽松質骨不同部位應力分布差異將影響其周圍牙根的移動方式和速率[12-13]。而功能載荷下牙齒移動變化的準確預測一直是口腔正畸生物力學研究的熱點問題,因此有必要深入研究牙槽骨不同部位及牙根不同層面松質骨力學性能。

本課題組前期的研究[14-15]通過對人離體下頜骨后牙區的牙槽松質骨進行力學研究發現了后牙區局部不同牙位及牙根層面彈性模量存在差異。但是,關于前牙區牙根不同層面及前后牙區牙槽松質骨的力學性能探索尚未涉及。利用單軸壓縮實驗可準確地測量松質骨的彈性模量[14]。因而,本研究將在人上下頜骨的牙槽松質骨進行解剖分離后,通過對其進行micro-CT掃描及影像分析,并借助單軸壓縮實驗對同一頜骨的不同牙位(前牙區及后牙區)及單個牙根的不同層面(根頸、根中及根尖部)周圍的牙槽松質骨進行力學測試,探索牙槽骨不同部位松質骨的結構和力學性能差異及影響因素,以期為建立精確的牙槽骨本構模型提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣本收集

樣本分別取自一名新鮮尸體的上頜骨片段(男性,35歲,無引起骨質疏松的全身性疾病,牙齒健康,除第三磨牙外牙列完整,無牙周病)和一名新鮮尸體的下頜骨片段(男性,44歲,無引起骨質疏松的全身性疾病,牙齒健康,除第三磨牙外牙列完整,無牙周病),尸體由南京醫科大學解剖教研室提供(南京醫科大學倫審(2020)234號)。

1.2 樣本制備

為保持牙槽松質骨的生物力學性能,將頜骨儲存于-20 ℃冰箱中[16-17],未浸泡甲醛溶液。1周內進行牙槽松質骨樣本制備及力學測試。測試當天將頜骨從冰箱中取出放入37 ℃水浴鍋中解凍10 min,剝離周圍軟組織后,用迷你型鋸弓(12英寸,SATA,中國)將上頜骨沿著骨縫正中鋸開,考慮樣本的珍貴性,兩個頜骨均選取左側部分進行研究,將上下頜分別沿著前牙與后牙交界區即尖牙及第一前磨牙之間及第二磨牙后緣切分成2塊并去除多余組織及牙冠部分(圖1)。

a:左側上頜前牙區;b:左側上頜后牙區;c:左側下頜前牙區;d:左側下頜后牙區

將制備好的單個牙槽骨塊借助切片石蠟(熔點56～58 ℃,華靈康復機械廠,中國)固定于低速切割機(500 r/s,IsoMet,Buehler,美國)上,并于槽內加入適量生理鹽水以避免切割時摩擦生熱對樣本的生物力學性能產生影響[3]。垂直于牙根縱軸自冠方向根方進行切割[14],依次獲得根頸、根中及根尖部水平矩形薄片各一片,厚(2.0±0.3)mm(圖2A～B)。

A,B:依次制取根頸部(a)、根中部(b)及根尖部(c)水平矩形薄片;C:分別從水平矩形薄片a,b,c中制取立方體樣本;D:前牙區共獲取6個樣本

隨后將切片的冠方做好標記平鋪于切割臺,用少量石蠟固定,沿牙根間進行牙槽松質骨平行切割獲得長方體,隨后將長方體兩端固定,切割出立方體樣本(圖2C),每個樣本的體積為(2.0±0.3)mm×(2.0±0.3)mm×(2.0±0.3)mm。左側上下頜骨前牙區均按照此方法分別切取6個立方體樣本(圖2D),其中根頸部、根中部及根尖部各2個;后牙區由于多一個牙位,上下頜分別切取9個立方體樣本,其中根頸部、根中部及根尖部各3個。

由于牙槽松質骨內部的不規則性,根中部和根尖部有部分樣本存在嚴重缺損,后續研究予以舍棄。最終按照牙位進行分組,上下頜前牙區各5個樣本,上下頜后牙區各8個樣本;按照牙根層面進行分組,上下頜根頸部各4個樣本;上頜根中部和根尖部各4個樣本,下頜根中部和根尖部各3個樣本。制備好的樣本置于-20 ℃生理鹽水中冷凍保存,直到測試。

1.3 影像學分析

首先借助掃描電鏡(Phenom XL G2,Eindhoven,荷蘭)觀察牙槽松質骨的微觀形態。隨后借助micro-CT(Scanco Medical,Bassersdorf,瑞士)對樣本進行掃描成像,CT參數值設置為(55 kVp,72 μA,15.6 μm)[18-19],并將獲取的DICOM格式斷層影像數據導入Mimics軟件(V20.0,Materialise,比利時)選擇閾值為“bone”進行三維重建,測量骨密度指標骨體積分數(bone volume/total volume(%),BV/TV(%))。

1.4 單軸壓縮實驗

采用雙立柱臺式電子萬能材料試驗機(Bluehill Universal,美國)。因樣本較小,對研究設備精度要求較高,采用100 N(公差為0.01 N)的測壓元件。以測壓長度作為輸入,由設備軟件測量位移可滿足精度要求,測出的實驗數據更可靠[14]。將樣本冠方朝上平放于研究臺中央,為防止試樣干燥,避免溫度、濕度的影響,在測試過程中保持室內溫度20 ℃,并用適量生理鹽水濕潤樣本。設定預加載階段0.1 mm/min勻速下降至壓力顯示為0.1 N為上壓盤接觸樣本,即刻應變清零以精確計算位移。隨后以0.1 mm/min加載速率進行單軸壓縮實驗(圖3),根據實驗載荷-位移數據轉換得到應力-應變曲線,使用GraphPad Prism(Version 8.0,GraphPad Software,美國)進行圖像處理,包括去除噪點,平滑曲線,擬合曲線等,并計算彈性模量,為準確進行統計分析,將所得彈性模量進行對數轉換。

箭頭方向為壓縮方向

1.5 統計學方法

利用SPSS(Version 26.0,IBM,美國)分析實驗結果,定量資料以均數±標準差表示,同一頜骨的前牙及后牙兩組間比較使用獨立樣本t檢驗,根頸、根中和根尖多組間比較采用單因素方差分析,若差異具有統計學意義, 則進行多重比較,P<0.05為差異具有統計學意義。

2 結 果

2.1 影像學結果分析

2.1.1 掃描電鏡結果 牙槽松質骨內含骨小梁呈疏松多孔狀,可見多個哈弗系統、骨髓腔和不規則分布的膠原纖維(圖4)。

圖4 掃描電鏡下牙槽松質骨的微觀形態

2.1.2 三維重建結果 利用micro-CT斷層影像分別三維重建上、下頜前牙區及后牙區牙根的不同層面(根頸、根中、根尖區)牙槽松質骨內部骨小梁圖像,典型圖像見圖5。BV/TV測量分析顯示同一頜骨的牙槽松質骨密度前牙區>后牙區;同時發現根頸部的牙槽松質骨密度>根中部,且根中部的牙槽松質骨密度>根尖部(表1)。

表1 人牙槽骨不同部位松質骨骨密度指標BV/TV

圖5 Mimics三維重建的牙槽骨不同部位松質骨微觀結構

2.2 單軸壓縮實驗結果

以0.1 mm/min加載速率下的人牙槽松質骨單軸壓縮的應力-應變曲線,初始階段應力隨著應變的增加呈穩定上升趨勢,應力和應變呈非線性關系,至應變約為4%時應力趨于穩定(圖6)。所得到的擬合直線的斜率即可近似等于該區間內牙槽松質骨的彈性模量,人上頜各部分牙槽松質骨的彈性模量為340～805 MPa,下頜各部分的牙槽松質骨的彈性模量為107～730 MPa。經計算得出彈性模量平均值(表2)。

表2 牙槽骨不同部位松質骨彈性模量

圖6 單軸壓縮人牙槽松質骨應力-應變曲線

將所得牙槽松質骨彈性模量進行log2對數轉換統計分析,發現上下頜不同牙位(前牙、后牙區)存在差異(P<0.05)(表3),上下頜前牙區的牙槽松質骨彈性模量>后牙區;牙根不同層面(根頸、根中及根尖部)存在差異(P<0.01)(表4),再進一步分析發現上頜和下頜的牙槽骨松質骨彈性模量均為根頸部>根中,根中部>根尖部(P<0.05)(圖7)。

表3 牙槽骨不同牙位松質骨彈性模量(log2)結果

表4 牙槽骨牙根不同層面松質骨彈性模量(log2)結果

圖7 人牙槽不同牙位松質骨彈性模量(log2)結果

3 討 論

本研究的目的主要是探究人上下頜不同牙位及牙根不同層面周圍牙槽松質骨的結構特點和力學性能。在以往的研究中,牙槽松質骨的彈性模量在340～1 131 MPa之間變化[14-15],本研究通過單軸壓縮實驗獲得的人牙槽松質骨的彈性模量為107～805 MPa,與既往研究結果接近。本研究在矢狀方向上將牙槽松質骨分為前牙區和后牙區,在垂直方向上將牙槽松質骨分成根頸、根中和根尖3組,分別發現不同牙位和牙根層面周圍牙槽松質骨彈性模量均存在一定差異。前牙區的牙槽松質骨彈性模量大于后牙區,根頸部牙槽松質骨彈性模量大于根中部,且根中部大于根尖部。同時micro-CT測量結果發現牙槽骨不同部位松質骨密度具有相同差異,由此推斷牙槽松質骨的彈性模量可能與牙槽松質骨密度有關。此結果對于臨床上不同部位正畸牙移動時施加力的大小選擇具有一定的指導意義,同時對于微種植體支抗的植入位置的選擇有一定的參考意義,但還需要進一步的研究來驗證。

骨小梁是牙槽松質骨的主要結構,在松質骨力學響應中的主要作用已在以往的研究中得到證實[20-22]。本研究在單軸壓縮實驗過程中發現,應力隨著應變的增加不斷增大,應力-應變曲線接近形成一條平緩上升的直線,隨著應力的不斷增加,最終骨小梁內部的彈性纖維無法抵抗,發生塑性形變,這可以解釋在極限應變附近彈性模量的劇烈變化。隨后趨于結構改變后一段平穩的變化,這可能和其內部骨小梁具有不同的排列角度,以及直立的骨小梁被壓縮后因其中的膠原纖維等成分產生形變有關。在極限應變處應力-應變曲線斜率的顯著變化可能表明,在正畸治療過程中,在到達極限應變點之前實現牙槽松質骨的有效應變是可行的。即在正畸治療中運用較小的力量可能是更有效和充分的。在正畸力的作用下,牙槽松質骨接收鄰近的牙周膜傳遞的力量后發生改建,適當的力使得牙根周圍的牙槽松質骨表面發生直接骨吸收,從而使得牙向著吸收側移動;過大的力使得牙槽骨髓腔側發生透明樣變從而導致間接骨吸收,待透明樣變完全清除后才能發生牙移動[23-24],因此希望通過對牙槽松質骨的力學性能研究為臨床中最適正畸力的施加提供參考。

在口腔正畸有限元分析和仿真研究中,牙周組織的仿真一直是研究的重點[12]。目前,常用的牙槽骨模型主要有兩種:均勻模型和非均勻模型。仵健磊等[13]通過研究發現非均勻牙槽骨模型能更好地反映真實牙槽骨中的骨質特征差異,更有利于獲得準確的分析結果。而目前對牙槽骨力學性能的研究多將其視作均勻化結構進行整體研究,且研究的結果之間存在較大差異[3,12-13]。而牙槽骨由皮質骨、松質骨和固有牙槽骨等組成,組成復雜,需要對牙槽骨的各結構成分分別進行研究以提高牙槽骨復合材料模型的準確性。松質骨作為改建的主體,血運豐富,其生物力學性能對正畸牙移動具有重要意義。本研究通過樣本制備過程去除牙周膜、牙骨質、固有牙槽骨及皮質骨等的影響,以實現對人牙槽松質骨進行單獨力學性能研究并分析可能影響其力學性能的因素,其結果更為精確,為建立基于部位差異性的牙槽骨本構模型提供研究依據,有利于實現正畸牙移動的精準仿真。

本研究仍存在一定的局限性,由于人體樣本較為珍貴,本研究的樣本量較少,后續需要進一步增加樣本驗證。此外,對于牙槽松質骨的力學性能研究為體外研究,盡管進行了生理鹽水保濕等處理,仍較難模擬出人體內復雜的生物環境。

綜上,本研究采用人牙槽松質骨為樣本,結合微觀結構觀察和單軸壓縮實驗,得到以下結論:①人牙槽松質骨壓縮應力-應變曲線呈非線性。②人上頜各部分牙槽松質骨的彈性模量為340～805 MPa,下頜各部分的牙槽松質骨的彈性模量為107～730 MPa。③同一頜骨的牙槽松質骨彈性模量前牙區>后牙區;根頸部>根中部,根中部>根尖部,人牙槽松質骨的彈性模量大小可能與牙位和牙根層面及骨密度有關。這對于構建更為精準的牙槽骨仿真模型具有參考價值,有助于實現正畸牙移動的精確預測。