零旋入扭矩下植入種植體及Bio-Oss膠原對骨結合過程影響的動物模型研究

吳勤超,劉 東,黃 佳,朱載甌,宋曉萌,丁 旭,吳煜農

種植體初期穩定性(primary stability,PS)是決定種植成功的關鍵因素之一[1],它主要由種植體在植入缺牙區牙槽骨時,種植體表面與骨組織之間的機械摩擦產生[2]。它與種植體的表面螺紋,植入時的旋入扭矩(insertion torque,IT)及骨組織的密度等因素有關[3-5]。

目前臨床上常用于評價PS的方法主要為IT和共振頻率分析(resonance frequency analysis,RFA)。RFA是由Meredith在1996年提出,以共振原理分析種植體動度,測量所得的結果稱為種植體穩定性系數(implant stability quotient, ISQ)[6];而IT則是通過最大IT值來評估種植體與骨界面之間的微運動[7]。以往的研究認為,使用較高的IT時,種植體能獲得更好的PS。但是,如果在過高的IT下植入種植體會引發周圍骨吸收[8]。因此,在手術操作過程中應避免施加過高的IT。但過低的IT通常被認為是無法獲得好的PS,從而影響種植手術的成功。

然而Lee等[9]綜合了大量低扭矩下植入植體的分析,發現植體成功率高達94.7%。Norton等[10]對多例低扭矩(包括<5 N·cm)下植入的植體研究發現,低IT下植入種植體保護了種植體周圍組織,降低了骨吸收,保證了更多的新骨形成與更快的骨結合速率。Kim等[11]發現,通過改進種植體表面處理方式,并給與足夠的骨結合時間,較低扭矩下植入植體最終穩定性可與高扭矩組植體的穩定性相當。

當骨質條件差或者骨量缺損較多時,種植體無法獲得較好的PS,甚至無法固位。尤其是在磨牙位點的即刻種植中,種植體與拔牙窩的形態不匹配,頸部直徑較窩洞小,為獲得良好的PS,通常需要種植體根尖3 mm處與周圍骨質緊密貼合,形成機械固位。但是由于上頜竇和下頜神經管的存在,長種植體并不總是適用于即刻種植,有學者提出采用直徑為7～9 mm的超寬種植體,來匹配窩洞直徑以獲得PS[12],但是Ketabi等[13]認為寬徑種植體的失敗率明顯高于窄徑種植體。因此,對于二壁以上骨缺損及環形骨缺損由于無法獲得好的PS,人們通常認為不適合即刻種植。

除了即刻種植,傳統種植也經常會遇到無法獲得好的PS情況。目前傳統種植手術常采用極差備洞預備種植窩,根據備洞過程中對骨阻力的感知來判斷預備是否合適,需要手術醫生具有豐富的種植經驗,但臨床上經常會遇到反復預備或預備過大而導致種植體沒有扭力,或者種植體滑絲的情況,無法獲得好的PS,導致種植失敗。因此本文將探究零IT下植入種植體的骨結合過程及同期植入Bio-Oss膠原對骨結合過程的影響,為臨床上無法獲得較好的PS的情況下進行種植提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

選用3只年齡為12～13個月,體重12～13 kg的健康成年雄性Beagle犬,所選購的實驗動物生命體征正常,各項檢驗指標正常,牙列完整。所有飼養及實驗操作均在南京市第一醫院動物實驗中心進行。所有實驗動物單獨隔離在籠中進行飼養,定時使用標準的飼料喂養,自由飲水,待所有Beagle犬適應環境后進行本實驗操作。

1.2 材料

1.2.1 實驗儀器 Apex種植體φ3.3/8 mm(柯潤璽醫療,中國)、OsseoSet 200種植機(Nobel Biocare AB,瑞典)、Osstell RFA儀(Gothenburg,瑞典)、Bio-Oss膠原100 mg(Geistlich,瑞士)、光學顯微鏡(歐萊博,中國)、3-0非可吸收外科縫線(華威,中國)。

1.2.2 實驗試劑 阿替卡因腎上腺素(必蘭,法國)、注射用青霉素鈉(瑞陽制藥,中國)、鹽酸賽拉嗪注射液(萊艾特,中國)、丙泊酚注射液(CordenPharma S.P.A,意大利)、75%乙醇(華鑫,中國)、碘伏消毒液(利康,中國)、0.9%氯化鈉注射液(科倫藥業,中國)、4%多聚甲醛通用型組織固定液(蘭杰柯,中國)。

1.3 手術方法

1.3.1 實驗動物分組 按照第12、18、24周為觀察周期進行實驗分組,將3只成年雄性Beagle隨機編號為a、b、c號,并于犬腿部位進行相應的標記。

1.3.2 拔牙 3只Beagle犬以0.1 mL/kg劑量肌肉注射速眠新Ⅱ(鹽酸賽拉嗪注射液)進行全身麻醉后,術區采用0.5%的碘伏消毒液局部消毒后,于擬拔牙位置注射必蘭達到局部浸潤麻醉。每只Beagle微創拔除雙側上下頜第2、3、4前磨牙,術后1～3 d肌肉注射青霉素(80萬U/d),同時給予軟食及口腔護理以預防感染,待拔牙術創愈合3個月后行種植手術。

1.3.3 植入種植體 實驗動物于術前8 h禁食禁飲,術前30 min肌肉注射青霉素(80萬U),以0.1 mL/kg劑量肌肉注射速眠新Ⅱ進行全身麻醉后,術中按0.1 mL/min的劑量靜脈注射丙泊酚注射液以維持麻醉,進行常規消毒鋪巾后,用11#手術刀在擬種植區切開黏膜,用骨膜剝離子將黏膜翻開,暴露牙槽嵴。每只實驗犬按照牙列式分為四個象限,每個象限三個種植位點按照種植方式隨機分成實驗組A、實驗組B和對照組,用先鋒鉆按照逐級備孔的原則預備種植窩,實驗組A和B預備至孔徑3.5 mm,對照組預備至孔徑2.8 mm,共預備36個種植窩。實驗組A:在沒有扭矩的情況下放入種植窩中心內;實驗組B:先將100 mg Bio-Oss骨膠原置入整個種植窩中壓緊填實,再將種植體直接放入窩洞中,在確定種植體達到預備深度的情況下植體與洞壁間的空隙被Bio-Oss骨膠原填滿后,去除多余的Bio-Oss骨膠原;對照組:在常規扭矩下(35 N·cm)植入種植窩中。放置覆蓋螺絲后用3-0非可吸收縫線縫合術創(圖1)。術后軟食飲食,常規使用抗生素防止術創發生感染。1周后拆除縫線,所有的操作均由同一位擁有豐富種植經驗的臨床醫生按照標準要求完成。

A:預備窩洞照;B:植入種植體;C:種植體就位;D:種植完成

1.3.4 RFA法測量ISQ 種植體完全就位后立即使用Osstellrfa儀測量,將Osstell儀配套的SmartPeg工作頭以4～6 N·cm的扭矩值將其擰緊到種植體上,測量每個種植體的頰側、近中、舌側、遠中四個方向上的ISQ值,按照同樣的操作順序重復測量3次,計算平均值。按照實驗分組的時間節點,分別在第12、18、24周再次按照上述操作測量并記錄不同時間點的ISQ值,所有的操作均由同一個人完成,數據的記錄由另一個人完成。

1.3.5 離體標本的制作及大體觀察 分別在種植術后第12、18、24周處死相應分組的實驗犬,完整解剖分離出上下頜種植區域的牙槽骨,用骨科線鋸將帶有種植體的頜骨完整切除游離下來后,用生理鹽水沖洗干凈,立即放入4%多聚甲醛固定液中,于4 ℃冰箱內固定48 h,先行大體觀察。

1.3.6 顯微CT檢查 將離體的頜骨標本放入Mirco-CT倉內進行掃描拍攝,在50 kV電壓和800 μA電流的工作條件下,以12 μm掃描分辨率、1 304×1 024視野大小進行掃描,單個標本掃描時間為1 020 s左右,得到圖片約1 025張。設定感興趣區域(region of interest,ROI),用NRecon軟件進行三維圖像重建,用CTAn軟件進行三維圖像分析。通過軟件計算出ROI內的總骨量(bone volume,BV)和總體積(total volume,TV),從而通過BV/TV來表示骨-種植體接觸率(percentage of bone-implant contact,BIC)(圖2)。

A:橫截面影像;B:矢狀面影像;C:冠狀面影像

1.4 統計學分析

使用SPSS 26.0統計分析軟件,對本實驗中所獲得的各種數據進行統計學分析。各項指標的數據首先采用正態性檢驗,若數據符合正態分布,再進行方差齊性檢驗,各組內每個時間節點的數據進行比較符合方差齊性時,行方差分析(analysis of variance,ANOVA),再采用相應的統計學方法比較分析。若非正態分布或者方差不齊,則采用克魯斯卡爾-沃利斯(Kruskal-Wallis)檢驗,繼續相應的統計分析。

2 結 果

2.1 實驗樣本的大體觀察

3只Beagle犬在實驗過程中均無感染或死亡,種植術后術創愈合好,牙齦黏膜未見明顯感染跡象,各實驗犬各個種植體頂部被周圍軟組織和骨組織等覆蓋。將標本上方牙周黏膜剝脫后,見9枚種植體出現一定范圍的頸部暴露,9枚種植體位于牙槽嵴頂下方,其余種植體暴露區域均未超過種植體頸部。在12周時標本中,雙側下頜2枚對照組的植體脫落,18周時,上頜實驗組A和實驗組B各1枚出現Ⅱ～Ⅲ度松動。24周時,下頜1枚實驗組B的植體松動脫落,上頜1枚實驗組A的植體出現Ⅱ～Ⅲ度松動。下頜17枚種植體進入下頜神經管內;上頜14枚種植體位于上頜竇內。總體上,三組種植成功率均為83%。

2.2 各組ISQ值比較

對于各組內不同時間節點數據采用非參數檢驗(18周時實驗組A和實驗組B以及24周時實驗組A數值屬非正態分布,使用Kruskal-Wallis test/曼-惠特尼U檢驗進行分析)。通過各組間比較,發現對照組ISQ值隨時間延長而增加,在18周時最高,24周時有所下降,變化相對較小;而實驗組A的ISQ值隨時間增加而減少,主要是因為18周和24周時均有1枚種植體出現了松動;而在實驗組B,因為18周時有1枚Ⅲ度松動的植體而導致ISQ值明顯下降,24周時明顯上升。使用曼-惠特尼U檢驗統計學分析,3個時間點下的各組ISQ值均差異無統計學意義(表1)。零扭矩+Bio-Oss膠原組在18周與24周間ISQ值具有統計學差異(P<0.05),其余各組各時間段間均差異無統計學意義(P>0.05)(表2)。

表1 各組別在各時間點的ISQ值Tab.1 ISQ values at different time points in each group

表2 各組內不同時間節點間ISQ值間的統計學差異Tab.2 Statistical difference between ISQ values at different time points in each group

2.3 Mirco-CT分析結果

通過Micro-CT影像圖觀察到,12周時已經有明顯的骨質生成(圖3)。通過對各組的BV/TV數據進行方差齊性分析,結果顯示數據符合正態分布(P>0.05),采用LSD法進行組間數據比較,不同組別間差異無統計學意義(P>0.05),不同時間段之間也差異無統計學意義(表3)。

圖3 各組在3個時間點的Mirco-CT影像圖Fig.3 Micro-CT images at different time points in each group

表3 各組別在各時間點的BV/TV值(%)Tab.3 BV/TV(%)at different time points in each group

3 討 論

種植體植入即刻的初期穩定性,一直被認為是后續能否骨結合成功的關鍵。在前牙缺失需要即刻種植的病例中,術者往往遇到因牙槽窩存在骨質缺損導致種植體無法獲得穩定固位。即使在常規的種植手術中,對種植窩預備過度或反復預備的情況也時有發生,種植體直徑相對種植窩偏小導致的不適配,同樣無法獲得可靠的初期穩定性,這些情況都可能增加了種植失敗的風險。

有研究報道,在新鮮的拔牙窩和愈合的牙槽骨中種植的成功率高達94%[14],差異無統計學意義。Amid等[15]通過回顧性研究發現在有骨質缺損的部位植入種植體并不會降低成功率。因此我們猜想在零IT下植入種植體仍然擁有較高的成功率,并通過在沒有IT下植入植體以及聯合Bio-Oss膠原的條件下進行實驗研究種植體周圍骨結合過程。為了實現這種種植環境,為將窩洞直徑預備至比種植體的直徑略大一些,這樣可以在沒有IT的情況下放入植體。在本研究中,36枚植體失敗了6枚,總體的種植留存率達到83.3%。從這一結果來看,實驗組A與對照組留存率相同,放置膠原的實驗組B留存率更高。關于12周時脫落的2枚種植體,認為可能是在種植手術完成初期尚未發生骨結合時,種植體意外脫出,或者是骨結合過程中發生了炎癥導致種植失敗脫落。在先前的研究中曾報道過[16],上頜骨的種植成功率明顯低于下頜骨,因為上頜骨的皮質骨較薄,而骨小梁較厚,這種低密度的骨質已經被證明在種植過程中會發生過度的骨質吸收或者破壞[17],然而在本的實驗中,上下頜骨植體的留存率差異無統計學意義。

種植體的后期穩定性主要取決于種植體-骨結合過程,骨結合從種植體植入牙槽窩的那一刻就開始進行了。由種植體表面向周圍骨組織成骨的模式是目前種植過程中常見的接觸成骨形式,然而當植體與周圍組織無接觸時,成骨的形式則與之相反,新生骨從周圍骨組織表面開始向植體表面生長[18-19]。無論哪種成骨方式,任何物理因素刺激都可能中斷這個進程。早期的研究表明,當種植體以低的IT植入時,由于發生微動,導致植體周圍形成纖維組織[20],但是關于這個觀點一直存在爭議,有人建立用低IT(<30 N·cm)植入植體的動物模型,結果基本都形成了良好的骨結合[21-22],甚至在沒有IT(0 N·cm)的情況下也有同樣的結果[23]。VerrastroNeto等[24]通過3個月的時間,觀察IT<30 N·cm和IT≥30 N·cm的種植體周圍組織液中骨和血管生成相關標志物發現,在前30 d,低IT組的血管內皮生長因子和骨保護素較高,而高IT組所有時間點的抗酒石酸酸性磷酸酶(破骨細胞生成的標志物)更高,而在3個月后,高IT組的各種促成骨標志物升高,低IT能夠更好保護骨組織,減少骨吸收。在我們的研究中,通過不同時間點各組間的ISQ值比較和各組不同時間段間的ISQ值比較顯示IT對于骨結合進程沒有明顯的影響。結合前人的各項研究,我們初步考慮種植體的微動影響低IT或者0 IT骨結合進程,在這里我們提出,是否存在一個微動閾值,低于該值時,可以保證骨結合過程順利進行。微動產生的界面應變影響著骨結合的進展,最近的一些關于界面應變的研究中[25-26],都未能提出一個明確的界限。因此關于種植體微動將是未來的主要研究方向。

影響種植體即刻負載的因素有很多,包括PS,負載時植體周圍的骨質、種植體的結構以及修復體等。對于種植體的負載時機,有學者提出,當ISQ值>65時[27],進行即刻負載不會對周圍組織產生損傷。在本實驗中,12周時我們的平均ISQ值>65,但因為未對負載進行相關的研究,且有很多植體進入上頜竇及下頜管,根方應力無法分散傳遞,對于負載可能會產生影響,這也將是我們課題組未來的研究方向之一。

當然,本研究也存在一些不足。在種植術前及術后未拍攝CT,沒有充分評估種植位點的牙槽骨高度與寬度,術中備洞時可能破壞了下頜神經管壁和上頜竇底,導致最后部分植體進入神經管及上頜竇內,實驗犬的生活質量可能受到一定的影響,從而可能存在實驗偏倚。另外,由于各個時間點下存在失敗種植體分布于上下頜骨內,被排除于試驗統計,且受限于試驗動物數目樣本量偏少,導致在ISQ值與BV/TV值的統計中,對上下頜骨間各組種植體結果的比較缺少足夠樣本支持,后續需補充樣本數量進一步研究上下頜骨間不同植入方式下植體的骨結合差異,并且提前觀察時間點探究不同扭矩植入下對早期骨結合的影響。其次,不同的實驗犬仍然存在實驗偏倚,而且若進行組織學分析,那么標本處理后就無法進行后續縱向實驗,這也是本實驗設計的難點之一。盡管如此,我們的研究也為將來實驗設計提供了一定的參考價值。