微型支抗种植钉加载时机的动物实验研究

微型支抗种植钉加载时机的动物实验研究摘要 目的 建立支抗种植钉的动物模型，分析不同愈合期加载对种植钉稳定性的影响。方法 于绵羊牙槽骨上植入微型支抗种植钉，建立颌骨支抗种植钉的动物模型，随机分为4组（不加力为A组，即刻加力为B组，植入2周加力为C组，植入4周加力为D组），截取带有种植钉的上、下颌骨组织标本；上颌骨块制作不脱钙的骨磨片，光镜下观察种植钉与骨组织界面的愈合情况，下颌骨块用材料性能试验机检测种植钉与骨组织松脱瞬间的最大剪切力值，并进行统计分析。结果 1）4组种植钉的剪切力值总体上有差别，A、B组的剪切力低于C、D组。2）骨纵磨片显示：种植钉与周围组织界面的结合方式在种植钉的压力侧和张力侧无明显区别；横断磨片显示：4组界面既有纤维性结合，又有骨性结合，A、D组界面以骨性结合为主，B、C组界面以纤维性结合为主，C组种植钉周围可见新生的骨组织潜行生长。结论 加载时机对支抗种植钉的稳定性有一定的影响。 关键词 支抗；骨整合；支抗种植钉；剪切力 An animal experimental study of the loading time on anchorage implant stability Wu Hongmei1, Feng Yunxia2, Li Gang3. (1. Dept. of Stomatology, The Fifth Central Hospital of Tianjin, Tianjin 300450, China; 2. Dept. of Orthodontics, Stomatolo-gical Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, China; 3. Dept. of Stomatology, Peace Hospital of Changzhi Medical College, Changzhi 046000, China) Abstract Objective This study aimed to evaluate the influence of loading in different healing periods on implant stabi-lity and to establish an animal model of anchorage implant screws. Methods Anchorage implant screws were implanted in sheep alveolar bone to establish the implant screw animal model. The animals were randomly divided into four groups: group A, sheep without loading; group B, sheep loaded immediately after implant; group C, sheep loaded after two weeks; and group D, sheep loaded after four weeks. The maxillary and mandibular tissue specimens with implants were dissected. The maxillary tissue specimens were used to make undecalcified bone grinding slices, and the healing mode of the implant-bone interface was observed by light microscope. The maximum shear strength of loose mandibular specimens was measured by a material testing machine. The differences in group data were statistically analyzed. Results 1) A general difference in shear strength exists among the four groups. The shear strengths in groups A and B were lower than those in groups C and D. 2) No signi-ficant difference in healing mode was found between the pressure side and the tension side of the longitudinal-grinded bone slices with implants. Both fiber combination and osseointegration of transverse-grinded slices could be found in the interface in all four groups. The major integration mode of the implant-bone interface of groups A and D was osseointegration, whereas that of the implant-bone interface of groups B and C was fibrous tissue transformation. The surrounding bone tissue regene-rated toward the implants of group C. Conclusion Results show that loading time influences the stability of implant anchorage. Key words anchorage;oosseointegration;anchorage implant screw;shear strength 近年来，支抗种植钉作为一种新的支抗手段已成功应用于口腔正畸临床，但稳定性不足仍然制约着其发展。影响支抗种植体稳定性的因素主要有种植体、正畸力及宿主因素等，其中，植入后正畸力的加载时机是影响其稳定性的重要因素，学者们为此进行了大量的研究，但最佳加载时机仍然存在争议。本研究分别于绵羊的上下颌骨植入支抗种植钉，建立动物模型，通过测量种植钉与骨组织结合的最大剪切力，观察种植钉与骨界面的组织学结合状况，从生物力学和组织学两方面评价加载时机对支抗种植钉稳定性的影响，探讨适宜的加载时机。 1 材料和方法 1.1 实验动物和材料 健康成年雄性绵羊4只，质量（202）kg，由山西医科大学动物中心提供并饲养。MIA型支抗种植钉及配套植入设备（西安中邦钛生物制品有限公司），种植钉直径分别为1.2、1.4 mm，全长9.7 mm，螺纹长度7 mm；镍钛拉簧（北京有色金属研究总院）；正畸用测力计（长沙天美医疗器械公司）。INSTRON 5544型材料性能试验机（太原理工大学生物力学实验室提供）。亚甲基蓝染色试剂（北京解放军总医院口腔科配制）。YD-12G型全自动生物组织脱水机（浙江金华益地医疗设备厂）、Leitz 1600型锯割切片机，均由中国人民解放军总医院口腔科提供。生物显微镜BI-2000医学图像分析系统（成都泰盟科技有限公司）由山西医科大学生理实验室提供。麻醉药品采用静松灵注射液和苯巴比妥钠（山西畜牧兽医研究所提供）。 1.2 建立动物模型 实验动物经静松灵（剂量为0.05 mL?kg-1）复合苯巴比妥钠（0.05 mL?kg-1）肌肉注射麻醉，常规消毒铺巾，切开黏骨膜，分别于每只动物的上颌骨磨牙区牙根之间、下颌骨牙弓中段的无牙区牙槽骨上垂直于骨面植入种植钉，每个象限各4枚，两两间隔10 mm， 共计植入64枚。植入术前、术后拍摄X线片确定种植钉的位置，要求未触及邻近的神经和牙根。植入术后3 d给予青霉素预防感染。所有种植钉随机分为4组，不加力组为A组，其余3组按照加载前的不同愈合时间分组，即刻加力组为B组，2周加力组为C组，4周加力组为D组，每组16枚。相邻种植钉之间通过镍钛拉簧近远中向交互牵引以加力，力值1.96 N。各组均观察4周后处死动物。 1.3 观察指标 1.3.1 肉眼观察 通过过量麻醉处死动物，截取带有种植钉的上下颌骨，观察种植钉的松动情况。 1.3.2 剪切力检测 下颌骨块用生理盐水纱布包裹，2 h之内用INSTRON 5544型材料性能试验机检测种植钉与骨组织松脱瞬间剪切力值。检测时使用夹具夹持骨块远中，检测仪器的力杆对近中第1枚种植钉持续加载，种植钉掉落瞬间仪器自动记录下可承受的最大载荷值，即为剪切力。旋出该种植钉，重新调整压力杆，同法测量其余种植钉的剪切力。 1.3.3 组织学观察 取上颌骨骨块，沿加力方向分切并修整成长方块，种植钉近远中两端保留长0.5 cm的骨量。10%甲醛溶液固定48 h后，YD-12G型全自动生物组织脱水机梯度乙醇脱水，氯仿透明，真空下浸液、包埋，根据X线片应用Leitz 1600型锯割切片机垂直于种植体长轴做横断切片，颈部、中部、根部各切两张，然后再取其他样本沿种植体长轴近远中方向纵向切片，亚甲基蓝-碱性品红（me-thylene blue-basic fuchsin staining，MB-BF）染色，乙醇脱水，二甲苯透明，树脂封片，光镜下观察种植体与骨界面的结合情况。 1.4 统计学分析 采用SPSS 11.5统计软件进行分析。剪切力值经正态性及方差齐性检验后，多组比较采用单因素方差分析，组间比较采用SNK法；对支抗种植体的加载时机与剪切力之间的关系作直线相关分析；检验水准为双侧=0.05。 2 结果 2.1 肉眼观察 B组下颌骨有两枚相邻种植钉因感染出现松动，未进行后续测试；其余各组种植钉均无松动及脱落。各组均有个别种植钉有轻微倾斜但稳定性良好。 2.2 剪切力检测 在剪切力的检测过程中，随着载荷的进一步增加，部分种植钉的倾斜角度持续增加，但不松动，直至最大载荷；旋出种植钉可见种植钉颈部有不同程度的弯曲。A、B、C、D组种植钉的剪切力值分别为（161.4830.22）、（139.8810.82）、（189.96 15.53）、（259.9925.38） N，经单因素方差分析，4组的差异有统计学意义（F=39.963，P0.05），而A、B两组与C、D组间的差异均有统计学意义（P0.05）。 加载时间与剪切力之间的散点图见图1：随着加载时间的延长，种植钉与骨组织间的剪切力逐渐增大，二者的变化趋势同向，说明二者间存在正相关关系（r=0.975，P0.01）。 2.3 组织学观察 带种植钉骨纵磨片的MB-BF染色情况见图2、3，带种植钉的骨横断磨片见图4。在图2、3、4中，种植体（I）呈黑色，其周围骨组织（O）呈红色，纤维组织（F）呈蓝色。 图1加载时间与剪切力之间的散点图 Fig1The scatter between loading time and shear strength A：A组；B：B组；C：C组；D：D组；I：种植体；F：纤维组织；O：骨组织。 图2带种植钉的骨纵磨片MB-BF 2 Fig2Bone longitudinal grinding with implantMB-BF 2 由图2可见，各组种植体与周围组织结合紧密，种植体螺纹凸部与突入螺纹凹部的组织突紧密锚合。 从左至右分别为A、B、C、D组；从上到下分别为种植体颈部、中部、根部；I：种植体；F：纤维组织；O：骨组织。 图3带种植钉的骨纵磨片局部分解MB-BF 4 Fig3Partial diagram ofbone longitudinal grinding with implant MB-BF 4 分别观察4组种植钉的颈部、中部和根部的纵磨片（图3），可见4组种植钉中部和根部的界面结合方式和骨结合量两侧基本相同，颈部两侧的界面结合方式基本相同，而骨结合量有明显差异。 分别观察4组种植钉的颈部、中部和根部的横断磨片（图4），可见4组种植钉界面的结合方式既有骨性结合，又有纤维性结合；但颈部、中部、根部界面的结合方式不尽相同。A组界面约有1/2为骨性结合，结合相对紧密；B组界面主要为纤维性结合，不够紧密；C组界面结合较为紧密，主要是纤维性结合，距种植体稍远处可见新生的骨组织向种植体方向潜行生长；D组界面结合较紧密，主要是骨性结合。 3 讨论 3.1 加载时机对支抗种植钉稳定性的影响 支抗种植钉是通过种植钉与骨界面的组织学骨整合和机械锁结作用完成与骨组织的稳定结合，从而抵抗一定限度的矫治力1。机械锁结是指种植钉表面与骨的结合为突入螺纹凹部的骨突与螺纹凸部的锚合关系，外力如果欲使种植钉与骨松脱，则其力值必须大于使这些骨突折断的力量之和2。组织学骨整合，是指种植钉与具有活性的骨组织产生持久的骨性接触，界面无纤维介入。加载时机对支抗种植钉稳定性的影响，关键在于加载时种植钉界面是否已经产生骨性结合，因为在相同条件下，加载时机不会影响种植钉与骨的机械锁结。Park3指出，微种植体与周围骨组织形成骨整合才能使其达到稳定，对正畸力的抵抗作用增强。而另有学者4-5认为，目前临床常用的支抗种植钉与以往正畸骨性支抗系统最大的区别在于，这种种植钉不依赖于骨整合进行固位，种植钉骨内部分与周围骨组织形成良好的机械嵌合是其获得稳定的主要原因，因此倾向于不必等到形成完全的骨整合，可以植入后即刻施加矫治力，而且即刻加力有力于提高种植体的机械稳定性，大量骨整合的形成反而使种植体在取出时需要额外的牙槽外科手术，增加患者负担。但是，即使主张即刻加载的学者6也认为，结合界面并非不需要骨整合，10%的骨整合即能达到正畸力负载的要求。适量的骨整合对种植支抗的成功有着举足轻重的作用，种植体稳定的组织学基础在于形成良好的种植体骨界面7。 种植体与骨界面的结合强度是客观准确地评估其稳固强度的重要指标。本研究选取种植钉骨界面的剪切力作为评估指标，种植钉脱位力的方向和正畸临床常规力的方向一致，接近临床实际情况，能更客观地反映种植钉骨界面的结合强度。本实验中，A、B组剪切力的差异无统计学意义，但从数值上看，A组均值略高于B组，结合横断骨磨片观察，A组界面形成部分骨结合，而B组为纤维组织结合；即刻加载是否会影响骨结合的形成，导致界面纤维化尚需进一步研究。C组为植入2周后加力，剪切力明显增加，界面虽然仍为纤维性结合，但可见种植体稍远处有纤细的骨小梁向种植体方向生长蔓延，预示骨结合即将形成。D组为植入4周后加力，其剪切力值最大，界面的骨性结合最明显，此阶段具备了承受一定范围的力的组织学基础，可以承受一定的正畸力，同时，适度的功能负载可以促进骨改建，使种植体更为稳固，是加载的较好时机；尤其对某些需长期承载的支抗种植钉（如压低磨牙及前牙、调整中线时）更具有临床意义。综上所述，愈合期避免加载对于取得良好的骨结合界面是十分重要的。 3.2 支抗种植钉负载的应力分析 本实验中，各组均有个别种植钉出现轻微的倾斜但稳定性良好，可能是由于结合界面有纤维组织层存在，种植钉顺着受力方向倾斜伸长时，纤维组织受压，种植钉的螺纹机械性地嵌合入周围的骨质中8。种植钉骨界面的剪切力反映出种植钉与骨界面的结合程度，本研究显示，加载时机与剪切力之间呈高度正相关，4周加力组的剪切力值最高，但是加载时间的延长不一定是剪切力增加的决定性因素，二者之间并非因果关系。这一点与吴晶等9的研究结果一致。本实验中剪切力的最高值远小于熊国平等10的研究结果，原因可能是实验动物种类的不同所致。本研究的实验动物为羊，而熊国平等10研究的实验动物为犬，羊颌骨的无牙区牙槽骨相对于犬有牙区的牙槽骨密度低，这恰恰验证了王航等11的观点，即骨致密度与种植体的稳定性存在正相关关系。 从生物力学观点来看，颌骨是一种多相、各相异性、非均质性的多孔复合结构，可以承受一定的压力，但皮质骨与松质骨都有一定的抗张力和抗压力的极限12，这可以解释在剪切力的检测过程中，随着压力杆载荷的增加，部分种植钉的倾斜角度持续增加却不松动直至最大载荷。检测后旋出的种植钉颈部有不同程度的弯曲，提示种植钉的应力主要集中在颈部，与常规种植体的应力分布相似13。 3.3 种植支抗与天然牙支抗的区别 由于天然牙有牙周膜的存在，在正畸力作用下，典型反应是压力侧牙槽骨吸收而张力侧发生骨沉积，而种植体作支抗时周围却没有类似的组织变化12。本实验中纵磨片是沿种植钉的长轴近远中向切开，而种植钉的受力也正是近远中向交互牵引，因此该磨片可以反映种植钉压力侧和张力侧的对比信息。结果显示，比较种植钉结合界面的张力侧和压力侧，种植钉中部和根尖部的结合形式基本相同，颈部的结合形式基本相同，只是骨结合量不同，可以认为支抗种植钉的压力侧和张力侧无明显区别。那么颈部骨结合量的差异是否由于正畸力的因素造成？比较受力的B、C、D组与不受力的A组可以发现，不管受力与否，磨片上种植钉颈部都有类似的组织学表现，可排除正畸力因素的影响，进而推断种植钉作支抗时周围骨组织不会出现压力侧吸收而张力侧成骨的现象。由于骨磨片相对较厚，不能提供确切的成骨、破骨等细胞学信息，因此还需要通过免疫组织化学等细胞结构学方面的研究来证实。 本研究结果表明，加载时机对支抗种植钉的稳定性有一定的影响，植入4周后加载，种植钉与骨界面的结合强度最高，更有利于支抗种植钉的稳定。 参考文献 1 吴晶, 白玉兴, 王邦康, 等. 微型支抗种植钉愈合期骨结合状态的组织学观察J. 北京口腔医学, 2005, 13(4):228- 230. 2 吴晶, 白玉兴, 王邦康, 等. 愈合期微型种植体骨界面的组织形态学研究J. 实用口腔医学杂志, 2006, 22(2):218- 220. 3 Park HS. A new protocol of the sliding mechanics with micro-implant anchorage(M.I.A)J. Korea J Orthod, 2000, 30(6):677-685. 4 Roberts WE, Helm FR, Marshall KJ, et al. Rigid endosseous implants for orthodontic and orthopedic anchorageJ. Angle Orthod, 1989, 59(4):247-256. 5 宿玉成. 现代口腔种植学M. 北京: 人民卫生出版社, 2004: 355-356. 6 Park HS, Lee SK, Kwon OW. Group distal movement of teeth using microscrew implant anchorageJ. Angle Orthod, 2005, 75(4):602-609. 7 卢宇, 陶金兰. 成骨细胞-种植体界面的研究进展J. 口腔医学, 2003, 23(1):53-54. 8 邓卓峰, 毛靖, 李平, 等. 正畸微型种植体支抗稳定性的临床研究J. 临床口腔医学杂志, 2006, 22(3):175-177. 9 吴晶, 白玉兴, 王邦康, 等. 微型种植体支抗愈合期稳定性的比较J. 中华口腔医学杂志, 2006, 41(4):226-227. 10 熊国平, 孙昕, 张国志, 等. 国产微型钛钉正畸支抗即刻负载稳定性的实验研究J. 中国口腔种植学杂志, 2006, 11(1):13-16. 11 王航, 梁星, 唐思青, 等. 正畸支抗种植体骨整合与稳定