零旋入扭矩下植入种植体及Bio-Oss胶原对骨结合过程影响的动物模型研究

吴勤超,刘 东,黄 佳,朱载瓯,宋晓萌,丁 旭,吴煜农

种植体初期稳定性(primary stability,PS)是决定种植成功的关键因素之一[1],它主要由种植体在植入缺牙区牙槽骨时,种植体表面与骨组织之间的机械摩擦产生[2]。它与种植体的表面螺纹,植入时的旋入扭矩(insertion torque,IT)及骨组织的密度等因素有关[3-5]。

目前临床上常用于评价PS的方法主要为IT和共振频率分析(resonance frequency analysis,RFA)。RFA是由Meredith在1996年提出,以共振原理分析种植体动度,测量所得的结果称为种植体稳定性系数(implant stability quotient, ISQ)[6];而IT则是通过最大IT值来评估种植体与骨界面之间的微运动[7]。以往的研究认为,使用较高的IT时,种植体能获得更好的PS。但是,如果在过高的IT下植入种植体会引发周围骨吸收[8]。因此,在手术操作过程中应避免施加过高的IT。但过低的IT通常被认为是无法获得好的PS,从而影响种植手术的成功。

然而Lee等[9]综合了大量低扭矩下植入植体的分析,发现植体成功率高达94.7%。Norton等[10]对多例低扭矩(包括<5 N·cm)下植入的植体研究发现,低IT下植入种植体保护了种植体周围组织,降低了骨吸收,保证了更多的新骨形成与更快的骨结合速率。Kim等[11]发现,通过改进种植体表面处理方式,并给与足够的骨结合时间,较低扭矩下植入植体最终稳定性可与高扭矩组植体的稳定性相当。

当骨质条件差或者骨量缺损较多时,种植体无法获得较好的PS,甚至无法固位。尤其是在磨牙位点的即刻种植中,种植体与拔牙窝的形态不匹配,颈部直径较窝洞小,为获得良好的PS,通常需要种植体根尖3 mm处与周围骨质紧密贴合,形成机械固位。但是由于上颌窦和下颌神经管的存在,长种植体并不总是适用于即刻种植,有学者提出采用直径为7～9 mm的超宽种植体,来匹配窝洞直径以获得PS[12],但是Ketabi等[13]认为宽径种植体的失败率明显高于窄径种植体。因此,对于二壁以上骨缺损及环形骨缺损由于无法获得好的PS,人们通常认为不适合即刻种植。

除了即刻种植,传统种植也经常会遇到无法获得好的PS情况。目前传统种植手术常采用极差备洞预备种植窝,根据备洞过程中对骨阻力的感知来判断预备是否合适,需要手术医生具有丰富的种植经验,但临床上经常会遇到反复预备或预备过大而导致种植体没有扭力,或者种植体滑丝的情况,无法获得好的PS,导致种植失败。因此本文将探究零IT下植入种植体的骨结合过程及同期植入Bio-Oss胶原对骨结合过程的影响,为临床上无法获得较好的PS的情况下进行种植提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 实验动物

选用3只年龄为12～13个月,体重12～13 kg的健康成年雄性Beagle犬,所选购的实验动物生命体征正常,各项检验指标正常,牙列完整。所有饲养及实验操作均在南京市第一医院动物实验中心进行。所有实验动物单独隔离在笼中进行饲养,定时使用标准的饲料喂养,自由饮水,待所有Beagle犬适应环境后进行本实验操作。

1.2 材料

1.2.1 实验仪器 Apex种植体φ3.3/8 mm(柯润玺医疗,中国)、OsseoSet 200种植机(Nobel Biocare AB,瑞典)、Osstell RFA仪(Gothenburg,瑞典)、Bio-Oss胶原100 mg(Geistlich,瑞士)、光学显微镜(欧莱博,中国)、3-0非可吸收外科缝线(华威,中国)。

1.2.2 实验试剂 阿替卡因肾上腺素(必兰,法国)、注射用青霉素钠(瑞阳制药,中国)、盐酸赛拉嗪注射液(莱艾特,中国)、丙泊酚注射液(CordenPharma S.P.A,意大利)、75%乙醇(华鑫,中国)、碘伏消毒液(利康,中国)、0.9%氯化钠注射液(科伦药业,中国)、4%多聚甲醛通用型组织固定液(兰杰柯,中国)。

1.3 手术方法

1.3.1 实验动物分组 按照第12、18、24周为观察周期进行实验分组,将3只成年雄性Beagle随机编号为a、b、c号,并于犬腿部位进行相应的标记。

1.3.2 拔牙 3只Beagle犬以0.1 mL/kg剂量肌肉注射速眠新Ⅱ(盐酸赛拉嗪注射液)进行全身麻醉后,术区采用0.5%的碘伏消毒液局部消毒后,于拟拔牙位置注射必兰达到局部浸润麻醉。每只Beagle微创拔除双侧上下颌第2、3、4前磨牙,术后1～3 d肌肉注射青霉素(80万U/d),同时给予软食及口腔护理以预防感染,待拔牙术创愈合3个月后行种植手术。

1.3.3 植入种植体 实验动物于术前8 h禁食禁饮,术前30 min肌肉注射青霉素(80万U),以0.1 mL/kg剂量肌肉注射速眠新Ⅱ进行全身麻醉后,术中按0.1 mL/min的剂量静脉注射丙泊酚注射液以维持麻醉,进行常规消毒铺巾后,用11#手术刀在拟种植区切开黏膜,用骨膜剥离子将黏膜翻开,暴露牙槽嵴。每只实验犬按照牙列式分为四个象限,每个象限三个种植位点按照种植方式随机分成实验组A、实验组B和对照组,用先锋钻按照逐级备孔的原则预备种植窝,实验组A和B预备至孔径3.5 mm,对照组预备至孔径2.8 mm,共预备36个种植窝。实验组A:在没有扭矩的情况下放入种植窝中心内;实验组B:先将100 mg Bio-Oss骨胶原置入整个种植窝中压紧填实,再将种植体直接放入窝洞中,在确定种植体达到预备深度的情况下植体与洞壁间的空隙被Bio-Oss骨胶原填满后,去除多余的Bio-Oss骨胶原;对照组:在常规扭矩下(35 N·cm)植入种植窝中。放置覆盖螺丝后用3-0非可吸收缝线缝合术创(图1)。术后软食饮食,常规使用抗生素防止术创发生感染。1周后拆除缝线,所有的操作均由同一位拥有丰富种植经验的临床医生按照标准要求完成。

A:预备窝洞照;B:植入种植体;C:种植体就位;D:种植完成

1.3.4 RFA法测量ISQ 种植体完全就位后立即使用Osstellrfa仪测量,将Osstell仪配套的SmartPeg工作头以4～6 N·cm的扭矩值将其拧紧到种植体上,测量每个种植体的颊侧、近中、舌侧、远中四个方向上的ISQ值,按照同样的操作顺序重复测量3次,计算平均值。按照实验分组的时间节点,分别在第12、18、24周再次按照上述操作测量并记录不同时间点的ISQ值,所有的操作均由同一个人完成,数据的记录由另一个人完成。

1.3.5 离体标本的制作及大体观察 分别在种植术后第12、18、24周处死相应分组的实验犬,完整解剖分离出上下颌种植区域的牙槽骨,用骨科线锯将带有种植体的颌骨完整切除游离下来后,用生理盐水冲洗干净,立即放入4%多聚甲醛固定液中,于4 ℃冰箱内固定48 h,先行大体观察。

1.3.6 显微CT检查 将离体的颌骨标本放入Mirco-CT仓内进行扫描拍摄,在50 kV电压和800 μA电流的工作条件下,以12 μm扫描分辨率、1 304×1 024视野大小进行扫描,单个标本扫描时间为1 020 s左右,得到图片约1 025张。设定感兴趣区域(region of interest,ROI),用NRecon软件进行三维图像重建,用CTAn软件进行三维图像分析。通过软件计算出ROI内的总骨量(bone volume,BV)和总体积(total volume,TV),从而通过BV/TV来表示骨-种植体接触率(percentage of bone-implant contact,BIC)(图2)。

A:横截面影像;B:矢状面影像;C:冠状面影像

1.4 统计学分析

使用SPSS 26.0统计分析软件,对本实验中所获得的各种数据进行统计学分析。各项指标的数据首先采用正态性检验,若数据符合正态分布,再进行方差齐性检验,各组内每个时间节点的数据进行比较符合方差齐性时,行方差分析(analysis of variance,ANOVA),再采用相应的统计学方法比较分析。若非正态分布或者方差不齐,则采用克鲁斯卡尔-沃利斯(Kruskal-Wallis)检验,继续相应的统计分析。

2 结 果

2.1 实验样本的大体观察

3只Beagle犬在实验过程中均无感染或死亡,种植术后术创愈合好,牙龈黏膜未见明显感染迹象,各实验犬各个种植体顶部被周围软组织和骨组织等覆盖。将标本上方牙周黏膜剥脱后,见9枚种植体出现一定范围的颈部暴露,9枚种植体位于牙槽嵴顶下方,其余种植体暴露区域均未超过种植体颈部。在12周时标本中,双侧下颌2枚对照组的植体脱落,18周时,上颌实验组A和实验组B各1枚出现Ⅱ～Ⅲ度松动。24周时,下颌1枚实验组B的植体松动脱落,上颌1枚实验组A的植体出现Ⅱ～Ⅲ度松动。下颌17枚种植体进入下颌神经管内;上颌14枚种植体位于上颌窦内。总体上,三组种植成功率均为83%。

2.2 各组ISQ值比较

对于各组内不同时间节点数据采用非参数检验(18周时实验组A和实验组B以及24周时实验组A数值属非正态分布,使用Kruskal-Wallis test/曼-惠特尼U检验进行分析)。通过各组间比较,发现对照组ISQ值随时间延长而增加,在18周时最高,24周时有所下降,变化相对较小;而实验组A的ISQ值随时间增加而减少,主要是因为18周和24周时均有1枚种植体出现了松动;而在实验组B,因为18周时有1枚Ⅲ度松动的植体而导致ISQ值明显下降,24周时明显上升。使用曼-惠特尼U检验统计学分析,3个时间点下的各组ISQ值均差异无统计学意义(表1)。零扭矩+Bio-Oss胶原组在18周与24周间ISQ值具有统计学差异(P<0.05),其余各组各时间段间均差异无统计学意义(P>0.05)(表2)。

表1 各组别在各时间点的ISQ值Tab.1 ISQ values at different time points in each group

表2 各组内不同时间节点间ISQ值间的统计学差异Tab.2 Statistical difference between ISQ values at different time points in each group

2.3 Mirco-CT分析结果

通过Micro-CT影像图观察到,12周时已经有明显的骨质生成(图3)。通过对各组的BV/TV数据进行方差齐性分析,结果显示数据符合正态分布(P>0.05),采用LSD法进行组间数据比较,不同组别间差异无统计学意义(P>0.05),不同时间段之间也差异无统计学意义(表3)。

图3 各组在3个时间点的Mirco-CT影像图Fig.3 Micro-CT images at different time points in each group

表3 各组别在各时间点的BV/TV值(%)Tab.3 BV/TV(%)at different time points in each group

3 讨 论

种植体植入即刻的初期稳定性,一直被认为是后续能否骨结合成功的关键。在前牙缺失需要即刻种植的病例中,术者往往遇到因牙槽窝存在骨质缺损导致种植体无法获得稳定固位。即使在常规的种植手术中,对种植窝预备过度或反复预备的情况也时有发生,种植体直径相对种植窝偏小导致的不适配,同样无法获得可靠的初期稳定性,这些情况都可能增加了种植失败的风险。

有研究报道,在新鲜的拔牙窝和愈合的牙槽骨中种植的成功率高达94%[14],差异无统计学意义。Amid等[15]通过回顾性研究发现在有骨质缺损的部位植入种植体并不会降低成功率。因此我们猜想在零IT下植入种植体仍然拥有较高的成功率,并通过在没有IT下植入植体以及联合Bio-Oss胶原的条件下进行实验研究种植体周围骨结合过程。为了实现这种种植环境,为将窝洞直径预备至比种植体的直径略大一些,这样可以在没有IT的情况下放入植体。在本研究中,36枚植体失败了6枚,总体的种植留存率达到83.3%。从这一结果来看,实验组A与对照组留存率相同,放置胶原的实验组B留存率更高。关于12周时脱落的2枚种植体,认为可能是在种植手术完成初期尚未发生骨结合时,种植体意外脱出,或者是骨结合过程中发生了炎症导致种植失败脱落。在先前的研究中曾报道过[16],上颌骨的种植成功率明显低于下颌骨,因为上颌骨的皮质骨较薄,而骨小梁较厚,这种低密度的骨质已经被证明在种植过程中会发生过度的骨质吸收或者破坏[17],然而在本的实验中,上下颌骨植体的留存率差异无统计学意义。

种植体的后期稳定性主要取决于种植体-骨结合过程,骨结合从种植体植入牙槽窝的那一刻就开始进行了。由种植体表面向周围骨组织成骨的模式是目前种植过程中常见的接触成骨形式,然而当植体与周围组织无接触时,成骨的形式则与之相反,新生骨从周围骨组织表面开始向植体表面生长[18-19]。无论哪种成骨方式,任何物理因素刺激都可能中断这个进程。早期的研究表明,当种植体以低的IT植入时,由于发生微动,导致植体周围形成纤维组织[20],但是关于这个观点一直存在争议,有人建立用低IT(<30 N·cm)植入植体的动物模型,结果基本都形成了良好的骨结合[21-22],甚至在没有IT(0 N·cm)的情况下也有同样的结果[23]。VerrastroNeto等[24]通过3个月的时间,观察IT<30 N·cm和IT≥30 N·cm的种植体周围组织液中骨和血管生成相关标志物发现,在前30 d,低IT组的血管内皮生长因子和骨保护素较高,而高IT组所有时间点的抗酒石酸酸性磷酸酶(破骨细胞生成的标志物)更高,而在3个月后,高IT组的各种促成骨标志物升高,低IT能够更好保护骨组织,减少骨吸收。在我们的研究中,通过不同时间点各组间的ISQ值比较和各组不同时间段间的ISQ值比较显示IT对于骨结合进程没有明显的影响。结合前人的各项研究,我们初步考虑种植体的微动影响低IT或者0 IT骨结合进程,在这里我们提出,是否存在一个微动阈值,低于该值时,可以保证骨结合过程顺利进行。微动产生的界面应变影响着骨结合的进展,最近的一些关于界面应变的研究中[25-26],都未能提出一个明确的界限。因此关于种植体微动将是未来的主要研究方向。

影响种植体即刻负载的因素有很多,包括PS,负载时植体周围的骨质、种植体的结构以及修复体等。对于种植体的负载时机,有学者提出,当ISQ值>65时[27],进行即刻负载不会对周围组织产生损伤。在本实验中,12周时我们的平均ISQ值>65,但因为未对负载进行相关的研究,且有很多植体进入上颌窦及下颌管,根方应力无法分散传递,对于负载可能会产生影响,这也将是我们课题组未来的研究方向之一。

当然,本研究也存在一些不足。在种植术前及术后未拍摄CT,没有充分评估种植位点的牙槽骨高度与宽度,术中备洞时可能破坏了下颌神经管壁和上颌窦底,导致最后部分植体进入神经管及上颌窦内,实验犬的生活质量可能受到一定的影响,从而可能存在实验偏倚。另外,由于各个时间点下存在失败种植体分布于上下颌骨内,被排除于试验统计,且受限于试验动物数目样本量偏少,导致在ISQ值与BV/TV值的统计中,对上下颌骨间各组种植体结果的比较缺少足够样本支持,后续需补充样本数量进一步研究上下颌骨间不同植入方式下植体的骨结合差异,并且提前观察时间点探究不同扭矩植入下对早期骨结合的影响。其次,不同的实验犬仍然存在实验偏倚,而且若进行组织学分析,那么标本处理后就无法进行后续纵向实验,这也是本实验设计的难点之一。尽管如此,我们的研究也为将来实验设计提供了一定的参考价值。