基于单轴压缩实验初探人牙槽骨不同部位松质骨力学性能

唐苗宁,吴 斌,刘 懋,史学明,袁 乐,唐 雯,曹 丹,严 斌

在正畸治疗中,施加于牙冠上的矫治力是使牙齿发生移动的始动因素,而牙周组织的力学响应则是引起牙移动和影响牙移动速率的决定因素,其中牙槽骨中的松质骨作为改建的主体,对牙移动的影响尤为关键[1-2]。

牙槽骨作为全身改建最为活跃的骨组织,主要由皮质骨、松质骨和固有牙槽骨组成,其中松质骨由羟基磷灰石、胶原和水组成,具有非均质性、黏弹性、各向异性等特点。目前已有大量研究表明松质骨具有非常复杂的力学性能,这与其具备的复杂结构和成分直接相关[3-5]。此外,以往研究还表明牙根不同层面(根颈部、根中部及根尖部)的牙周膜存在纤维数量、形态及力学性能差异[6-7]。因而,牙槽松质骨的力学性能应该也会随着牙根层面的不同有一定的差异,但是目前对牙槽松质骨的研究较少,牙槽松质骨的形态多样性和结构复杂性给其力学性能的研究带来了挑战。相较于长骨组织,牙槽松质骨含量较少,周围有牙根、皮质骨及牙周膜等组织,较难分离。因而,以往研究多为对牙槽骨力学性能的整体研究[8-9],并没有单独研究松质骨。同时这些研究多为动物骨组织研究,并不能完全反映人类组织的特性。王玉东等[10-11]通过锥形束CT扫描牙槽骨,发现同一颌骨前牙区的牙槽松质骨密度可能大于后牙区,但扫描精度还需进一步提升。目前对牙根不同层面牙槽松质骨的力学性能及利用分辨率更高的micro-CT观测微观结构的研究较少。以往研究表明,当相同正畸力通过矫治器传递于牙周膜至牙槽松质骨时,牙槽松质骨不同部位应力分布差异将影响其周围牙根的移动方式和速率[12-13]。而功能载荷下牙齿移动变化的准确预测一直是口腔正畸生物力学研究的热点问题,因此有必要深入研究牙槽骨不同部位及牙根不同层面松质骨力学性能。

本课题组前期的研究[14-15]通过对人离体下颌骨后牙区的牙槽松质骨进行力学研究发现了后牙区局部不同牙位及牙根层面弹性模量存在差异。但是,关于前牙区牙根不同层面及前后牙区牙槽松质骨的力学性能探索尚未涉及。利用单轴压缩实验可准确地测量松质骨的弹性模量[14]。因而,本研究将在人上下颌骨的牙槽松质骨进行解剖分离后,通过对其进行micro-CT扫描及影像分析,并借助单轴压缩实验对同一颌骨的不同牙位(前牙区及后牙区)及单个牙根的不同层面(根颈、根中及根尖部)周围的牙槽松质骨进行力学测试,探索牙槽骨不同部位松质骨的结构和力学性能差异及影响因素,以期为建立精确的牙槽骨本构模型提供依据。

1 材料与方法

1.1 样本收集

样本分别取自一名新鲜尸体的上颌骨片段(男性,35岁,无引起骨质疏松的全身性疾病,牙齿健康,除第三磨牙外牙列完整,无牙周病)和一名新鲜尸体的下颌骨片段(男性,44岁,无引起骨质疏松的全身性疾病,牙齿健康,除第三磨牙外牙列完整,无牙周病),尸体由南京医科大学解剖教研室提供(南京医科大学伦审(2020)234号)。

1.2 样本制备

为保持牙槽松质骨的生物力学性能,将颌骨储存于-20 ℃冰箱中[16-17],未浸泡甲醛溶液。1周内进行牙槽松质骨样本制备及力学测试。测试当天将颌骨从冰箱中取出放入37 ℃水浴锅中解冻10 min,剥离周围软组织后,用迷你型锯弓(12英寸,SATA,中国)将上颌骨沿着骨缝正中锯开,考虑样本的珍贵性,两个颌骨均选取左侧部分进行研究,将上下颌分别沿着前牙与后牙交界区即尖牙及第一前磨牙之间及第二磨牙后缘切分成2块并去除多余组织及牙冠部分(图1)。

a:左侧上颌前牙区;b:左侧上颌后牙区;c:左侧下颌前牙区;d:左侧下颌后牙区

将制备好的单个牙槽骨块借助切片石蜡(熔点56～58 ℃,华灵康复机械厂,中国)固定于低速切割机(500 r/s,IsoMet,Buehler,美国)上,并于槽内加入适量生理盐水以避免切割时摩擦生热对样本的生物力学性能产生影响[3]。垂直于牙根纵轴自冠方向根方进行切割[14],依次获得根颈、根中及根尖部水平矩形薄片各一片,厚(2.0±0.3)mm(图2A～B)。

A,B:依次制取根颈部(a)、根中部(b)及根尖部(c)水平矩形薄片;C:分别从水平矩形薄片a,b,c中制取立方体样本;D:前牙区共获取6个样本

随后将切片的冠方做好标记平铺于切割台,用少量石蜡固定,沿牙根间进行牙槽松质骨平行切割获得长方体,随后将长方体两端固定,切割出立方体样本(图2C),每个样本的体积为(2.0±0.3)mm×(2.0±0.3)mm×(2.0±0.3)mm。左侧上下颌骨前牙区均按照此方法分别切取6个立方体样本(图2D),其中根颈部、根中部及根尖部各2个;后牙区由于多一个牙位,上下颌分别切取9个立方体样本,其中根颈部、根中部及根尖部各3个。

由于牙槽松质骨内部的不规则性,根中部和根尖部有部分样本存在严重缺损,后续研究予以舍弃。最终按照牙位进行分组,上下颌前牙区各5个样本,上下颌后牙区各8个样本;按照牙根层面进行分组,上下颌根颈部各4个样本;上颌根中部和根尖部各4个样本,下颌根中部和根尖部各3个样本。制备好的样本置于-20 ℃生理盐水中冷冻保存,直到测试。

1.3 影像学分析

首先借助扫描电镜(Phenom XL G2,Eindhoven,荷兰)观察牙槽松质骨的微观形态。随后借助micro-CT(Scanco Medical,Bassersdorf,瑞士)对样本进行扫描成像,CT参数值设置为(55 kVp,72 μA,15.6 μm)[18-19],并将获取的DICOM格式断层影像数据导入Mimics软件(V20.0,Materialise,比利时)选择阈值为“bone”进行三维重建,测量骨密度指标骨体积分数(bone volume/total volume(%),BV/TV(%))。

1.4 单轴压缩实验

采用双立柱台式电子万能材料试验机(Bluehill Universal,美国)。因样本较小,对研究设备精度要求较高,采用100 N(公差为0.01 N)的测压元件。以测压长度作为输入,由设备软件测量位移可满足精度要求,测出的实验数据更可靠[14]。将样本冠方朝上平放于研究台中央,为防止试样干燥,避免温度、湿度的影响,在测试过程中保持室内温度20 ℃,并用适量生理盐水湿润样本。设定预加载阶段0.1 mm/min匀速下降至压力显示为0.1 N为上压盘接触样本,即刻应变清零以精确计算位移。随后以0.1 mm/min加载速率进行单轴压缩实验(图3),根据实验载荷-位移数据转换得到应力-应变曲线,使用GraphPad Prism(Version 8.0,GraphPad Software,美国)进行图像处理,包括去除噪点,平滑曲线,拟合曲线等,并计算弹性模量,为准确进行统计分析,将所得弹性模量进行对数转换。

箭头方向为压缩方向

1.5 统计学方法

利用SPSS(Version 26.0,IBM,美国)分析实验结果,定量资料以均数±标准差表示,同一颌骨的前牙及后牙两组间比较使用独立样本t检验,根颈、根中和根尖多组间比较采用单因素方差分析,若差异具有统计学意义, 则进行多重比较,P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 影像学结果分析

2.1.1 扫描电镜结果 牙槽松质骨内含骨小梁呈疏松多孔状,可见多个哈弗系统、骨髓腔和不规则分布的胶原纤维(图4)。

图4 扫描电镜下牙槽松质骨的微观形态

2.1.2 三维重建结果 利用micro-CT断层影像分别三维重建上、下颌前牙区及后牙区牙根的不同层面(根颈、根中、根尖区)牙槽松质骨内部骨小梁图像,典型图像见图5。BV/TV测量分析显示同一颌骨的牙槽松质骨密度前牙区>后牙区;同时发现根颈部的牙槽松质骨密度>根中部,且根中部的牙槽松质骨密度>根尖部(表1)。

表1 人牙槽骨不同部位松质骨骨密度指标BV/TV

图5 Mimics三维重建的牙槽骨不同部位松质骨微观结构

2.2 单轴压缩实验结果

以0.1 mm/min加载速率下的人牙槽松质骨单轴压缩的应力-应变曲线,初始阶段应力随着应变的增加呈稳定上升趋势,应力和应变呈非线性关系,至应变约为4%时应力趋于稳定(图6)。所得到的拟合直线的斜率即可近似等于该区间内牙槽松质骨的弹性模量,人上颌各部分牙槽松质骨的弹性模量为340～805 MPa,下颌各部分的牙槽松质骨的弹性模量为107～730 MPa。经计算得出弹性模量平均值(表2)。

表2 牙槽骨不同部位松质骨弹性模量

图6 单轴压缩人牙槽松质骨应力-应变曲线

将所得牙槽松质骨弹性模量进行log2对数转换统计分析,发现上下颌不同牙位(前牙、后牙区)存在差异(P<0.05)(表3),上下颌前牙区的牙槽松质骨弹性模量>后牙区;牙根不同层面(根颈、根中及根尖部)存在差异(P<0.01)(表4),再进一步分析发现上颌和下颌的牙槽骨松质骨弹性模量均为根颈部>根中,根中部>根尖部(P<0.05)(图7)。

表3 牙槽骨不同牙位松质骨弹性模量(log2)结果

表4 牙槽骨牙根不同层面松质骨弹性模量(log2)结果

图7 人牙槽不同牙位松质骨弹性模量(log2)结果

3 讨 论

本研究的目的主要是探究人上下颌不同牙位及牙根不同层面周围牙槽松质骨的结构特点和力学性能。在以往的研究中,牙槽松质骨的弹性模量在340～1 131 MPa之间变化[14-15],本研究通过单轴压缩实验获得的人牙槽松质骨的弹性模量为107～805 MPa,与既往研究结果接近。本研究在矢状方向上将牙槽松质骨分为前牙区和后牙区,在垂直方向上将牙槽松质骨分成根颈、根中和根尖3组,分别发现不同牙位和牙根层面周围牙槽松质骨弹性模量均存在一定差异。前牙区的牙槽松质骨弹性模量大于后牙区,根颈部牙槽松质骨弹性模量大于根中部,且根中部大于根尖部。同时micro-CT测量结果发现牙槽骨不同部位松质骨密度具有相同差异,由此推断牙槽松质骨的弹性模量可能与牙槽松质骨密度有关。此结果对于临床上不同部位正畸牙移动时施加力的大小选择具有一定的指导意义,同时对于微种植体支抗的植入位置的选择有一定的参考意义,但还需要进一步的研究来验证。

骨小梁是牙槽松质骨的主要结构,在松质骨力学响应中的主要作用已在以往的研究中得到证实[20-22]。本研究在单轴压缩实验过程中发现,应力随着应变的增加不断增大,应力-应变曲线接近形成一条平缓上升的直线,随着应力的不断增加,最终骨小梁内部的弹性纤维无法抵抗,发生塑性形变,这可以解释在极限应变附近弹性模量的剧烈变化。随后趋于结构改变后一段平稳的变化,这可能和其内部骨小梁具有不同的排列角度,以及直立的骨小梁被压缩后因其中的胶原纤维等成分产生形变有关。在极限应变处应力-应变曲线斜率的显著变化可能表明,在正畸治疗过程中,在到达极限应变点之前实现牙槽松质骨的有效应变是可行的。即在正畸治疗中运用较小的力量可能是更有效和充分的。在正畸力的作用下,牙槽松质骨接收邻近的牙周膜传递的力量后发生改建,适当的力使得牙根周围的牙槽松质骨表面发生直接骨吸收,从而使得牙向着吸收侧移动;过大的力使得牙槽骨髓腔侧发生透明样变从而导致间接骨吸收,待透明样变完全清除后才能发生牙移动[23-24],因此希望通过对牙槽松质骨的力学性能研究为临床中最适正畸力的施加提供参考。

在口腔正畸有限元分析和仿真研究中,牙周组织的仿真一直是研究的重点[12]。目前,常用的牙槽骨模型主要有两种:均匀模型和非均匀模型。仵健磊等[13]通过研究发现非均匀牙槽骨模型能更好地反映真实牙槽骨中的骨质特征差异,更有利于获得准确的分析结果。而目前对牙槽骨力学性能的研究多将其视作均匀化结构进行整体研究,且研究的结果之间存在较大差异[3,12-13]。而牙槽骨由皮质骨、松质骨和固有牙槽骨等组成,组成复杂,需要对牙槽骨的各结构成分分别进行研究以提高牙槽骨复合材料模型的准确性。松质骨作为改建的主体,血运丰富,其生物力学性能对正畸牙移动具有重要意义。本研究通过样本制备过程去除牙周膜、牙骨质、固有牙槽骨及皮质骨等的影响,以实现对人牙槽松质骨进行单独力学性能研究并分析可能影响其力学性能的因素,其结果更为精确,为建立基于部位差异性的牙槽骨本构模型提供研究依据,有利于实现正畸牙移动的精准仿真。

本研究仍存在一定的局限性,由于人体样本较为珍贵,本研究的样本量较少,后续需要进一步增加样本验证。此外,对于牙槽松质骨的力学性能研究为体外研究,尽管进行了生理盐水保湿等处理,仍较难模拟出人体内复杂的生物环境。

综上,本研究采用人牙槽松质骨为样本,结合微观结构观察和单轴压缩实验,得到以下结论:①人牙槽松质骨压缩应力-应变曲线呈非线性。②人上颌各部分牙槽松质骨的弹性模量为340～805 MPa,下颌各部分的牙槽松质骨的弹性模量为107～730 MPa。③同一颌骨的牙槽松质骨弹性模量前牙区>后牙区;根颈部>根中部,根中部>根尖部,人牙槽松质骨的弹性模量大小可能与牙位和牙根层面及骨密度有关。这对于构建更为精准的牙槽骨仿真模型具有参考价值,有助于实现正畸牙移动的精确预测。