快速成型钛板结合自体骨移植修复犬下颌骨缺损

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.15.018

摘要/Abstract

摘要：

背景：近年来，快速成型技术被迅速的应用于医学重建领域，利用快速成型技术可为组织缺损患者制作个体化的植入物，可达到空间尺寸上的精确修复。
目的：利用快速成型技术制作个体化钛板，结合自体松质骨移植，修复犬下颌骨节段性缺损。
方法：9只杂种犬行螺旋CT扫描获取头颅骨骼数据，建立数字3D模型，在模型上模拟右侧下颌骨体部切除术，并制作个体化板状修复体，经快速成型加工制造，获得个体化的钛板。然后行动物实验，手术制造右侧下颌骨体部4 cm长节段性缺损，同期手术切取自体髂骨块固定于快速成型钛板的舌侧，修复下颌骨缺损。采用核医学、力学、影像学和组织学等方法评估骨移植后的转归。
结果与结论：应用快速成型支架重建了左右对称的下颌骨形态，自体髂骨移植后逐渐皮质化，植骨和钛板之间形成纤维结缔组织间隔层。在下颌骨缺损修复中，应用快速成型钛板能够达到形态和功能兼顾的效果。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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关键词: 组织构建, 骨组织工程, 下颌骨缺损, 钛板, 髂骨移植, 计算机辅助设计, 快速成型, 核素骨显像, 修复体

Abstract:

BACKGROUND: Rapid prototyping technique has been recently applied in the medical reconstruction and allows the production of individual implant for patients with tissue defects, achieving an accurate repair.
OBJECTIVE: To repair discontinuous mandibular defects in dogs using rapid prototyped titanium plate in combination with autologous cancellous bone graft.
METHODS: Nine hybrid canines were used, and the skull was scanned using spiral CT. Then CT data were used to construct three-dimensional digital model, in which virtual partial mandibulectomy was performed, and an individualized bone-grafting plate was designed. A titanium plate was manufactured using rapid prototyping and titanium casting. Animal experiment was then performed. A 40-mm discontinuous defect in the right mandibular body was created in the involved dogs. The defect was restored immediately using the customized plate in combination with autologous cancellous iliac blocks. Sequential radionuclide bone imaging, biomechanical testing, three-dimensional microcomputed tomographic scanning, radiology and histological examination were used to evaluate the turnover of the grafts.
RESULTS AND CONCLUSION: A symmetric mandible was reconstructed using the rapid prototyped grafting plate. The grafted bone survived and got corticalized, while a fibrous intermedium was found between the bone graft and the plate. In the reconstruction of mandibular defects, optimal functional and aesthetic outcomes could be achieved using the rapid prototyped grafting plates.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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Key words: mandible, titanium, braces, ilium, bone transplantation, tomography, spiral computed

中图分类号:

R318

周丽斌，吴玮，王佩林，丁瑞英，韩浩伦，李保卫，王刚，王鸿南，赵晋龙，刘彦普. 快速成型钛板结合自体骨移植修复犬下颌骨缺损[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(15): 2403-2408.

Zhou Li-bin, Wu Wei, Wang Pei-lin, Ding Rui-ying, Han Hao-lun, Li Bao-wei, Wang Gang, Wang Hong-nan, Zhao Jin-long, Liu Yan-pu . Rapid prototyped titanium plate combined with autologous cancellous bone graft repairs canine mandibular defects[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(15): 2403-2408.

图/表（结果） 8

2.1 实验动物数量分析 9只实验犬根据处死时间，随机分为3组，第1组于造模后第4周时处死，第2组于造模后第12周时处死；第3组于术后第24周时处死，各组动物在实验过程中均无脱失。

2.2 核素骨显像检查的结果 实验部位的下颌骨核素浓聚，且浓聚部位位于个体化钛板舌侧的移植骨处(图3)。术后连续监测的5个时间点中，术后2周时的核素计数比值最大，随后逐渐下降，至术后24周时，比值接近1，说明移植骨的骨代谢接近正常下颌骨(图4)。

2.3 实验标本大体观察 标本显示手术截断的下颌骨得到良好的重建，重建的下颌骨外形轮廓与对侧基本对称。髂骨移植后逐渐改建成为较为坚硬的皮质骨，12周以后的标本中，肉眼已经无法区分改建后的植骨块与下颌骨截骨断端(图5)。

标本X射线片显示4周时移植骨密度较低。至24周时，移植骨与临近的正常下颌骨之间为连续而且均匀的高密度影像，移植骨与正常下颌骨的骨密度比较无明显差别(图6)。

2.4 生物力学测试结果 4周时的标本强度较小，经改建后的移植骨块强度随着时间逐渐增大，至修复后24周时，已经远大于髂骨强度，但尚不及正常下颌骨强度(P < 0.05，图7)。

2.5 Micro-CT扫描三维重建结果 可清晰地观察到移植骨由松质骨向皮质骨改建的过程(图8)。数据表明，骨体积分数、组织矿物质密度和骨小梁厚度随着术后时间延长而逐渐增加，骨小梁离散度和结构模型指数则逐渐减小，且上述指标的变化趋势均呈现出由髂骨逐渐向正常下颌骨转变(表1)。

2.6 标本组织学观察结果 可观察到骨块移植后的骨改建过程，皮质化最完善的位置在植骨的舌侧，骨质由稀疏的松质骨逐渐转变为致密的板层皮质骨。而在个体化钛板和移植骨块之间，有一层0.2-2.0 mm厚的纤维结缔组织。在发生钛板暴露的实验动物标本中，实验观察到移植骨的舌侧部分改建成为致密的皮质骨，而紧邻钛板的部分区域可见植骨坏死(图9)。

2.7 修复后生物相容性及不良反应 所有实验动物均耐受了下颌骨部分切除及下颌骨缺损重建手术。术中利用预制的定位板可以方便、准确地确定下颌骨切除位置和个体化钛板的安置位置，从而使手术与术前计算机辅助设计方案一致，保证了下颌骨缺损修复的准确性。

个体化钛板与下颌骨残端高度匹配，重建后的下颌骨与对侧基本对称，个体化钛板植入后口内余留牙齿的咬合关系没有改变。在其中一例动物中，发现了个体化钛板的局部外露(约1 cm长，穿通口腔黏膜，暴露于口内)，紧邻钛板的植骨部分坏死。通过换药处理，感染被控制，骨坏死没有进一步扩大，死骨部分排出。进一步行全麻手术，转颊黏膜瓣覆盖钛板，但是因为局部缺少骨质支撑，数日后转移黏膜瓣破溃，局部钛板再次外露；后续观察发现除了钛板暴露处临近部位的小片骨质坏死，其余部分黏膜完好，下方骨质坚硬。其他所有实验动物中，未观察到明显并发症。

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引言

材料方法

设计：动物实验观察。

时间及地点：于2013年1至10月在解放军第306医院中心实验室完成。

材料：

实验动物：健康雌雄不限的杂种犬9只，年龄12-18个月，体质量13-15 kg，购买于解放军第四军医大学实验动物中心，实验动物许可证号：SCXK(军):2007-007。实验过程中对动物的处置符合医学伦理学标准。

方法:

拔牙过程：肌注速眠新Ⅱ(军事医学科学院军事兽医研究所，0.1 mL/kg)麻醉后，采用分冠、敲击、挺松等方法拔除右侧下颌后牙，修整拔牙创骨壁，拉拢缝合拔牙创两侧黏膜。

快速成型钛板的设计、制作：拔牙2周后，全麻下进行头颅螺旋CT扫描。扫描仪器为GE Brightspeed 16排螺旋CT机，层厚1.25 mm。将CT数据导入Mimics7.0图像处理软件中以建立犬头颅的数字化3D模型。在该模型上设计右侧下颌骨体部40 mm长的缺损，将该区域内的数据删除，然后以正中矢状面为镜面，将左侧下颌骨数据镜像翻转到右侧，用以覆盖、替代右侧下颌骨缺损区域。并根据左侧下颌骨镜像图像与右侧下颌骨切除后的残端图像的位置关系，对镜像图像位置稍作调整，使平滑连接。以缺损区域内的镜像下颌骨的颊侧骨面为蓝本设计个体化钛板，下界达下颌骨下缘，上界比牙槽嵴顶低3.0-4.0 mm，前后覆盖整个缺损区域，通过增厚镜像下颌骨的颊侧面(0.8 mm)，即得到个体化钛板的数字模型。在钛板的两侧进一步设计与下颌骨残端颊面一致的固位板。通过快速成型制造(SPS 600快速成型机系统，西安交通大学先进制造研究所)，逐层扫描、固化、叠加，获得支架树脂模型，最终经过包埋铸造得到钛件(图1)。另外实验还为每个个体预制了个体化的定位板，用于辅助手术过程中定位下颌骨切除和个体化钛板安置的位置。采用同样的快速成型制造得到定位板的树脂模型。

修复方法：拔牙3个月后，拔牙创完全愈合，行下颌骨体部部分切除术、同期植骨重建术。经下颌下切口暴露右侧下颌骨体部，并保留完整骨膜。根据术前设计方案，利用树脂定位板确定截骨位置，以使手术切除与计算机虚拟切除的位置相同。确定位置后，将目标区域下颌骨截除，形成40 mm长的下颌骨体部缺损。另一组医生同时进行髂骨切取手术，取右侧髂后上棘骨块，去除其内外双层菲薄的骨皮质，将松质骨块修剪成约6 mm厚的方块，然用不锈钢丝松质骨块捆扎固定于个体化钛板的舌侧(图2A，B)。随后将个体化钛板-髂骨块复合体植入到下颌骨缺损区域(图2C)，完成修复。分层缝合关闭伤口，术毕。移植后5 d内给于青霉素160×10⁴U，肌注2次/d；每日用0.5%碘伏消毒伤口。给予流食，不制动。

核素骨显像检查：修复后第2，4，8，12及24周进行核素骨显像检查^[11-17]。通过后肢小隐静脉注射740 MBq的锝[⁹⁹Tm^c]亚甲基二膦酸盐注射液(⁹⁹Tm^c-MDP)，3 h后，肌注速眠新Ⅱ全麻，先后行头颅CT及SPECT扫描。具体扫描及数据分析方法参见文献^[11-13]。统计方法采用重复测量数据的方差分析(SPSS 17.0)。

取材及标本检测：分别于修复后4，12，24周处死动物(各3只)，取双侧下颌骨标本，甲醛固定。行大体观察及X射线分析后，将个体化钛板及植骨块标本切分成两部分。第一部分长30 mm，拆除个体化钛板，清除纤维结缔组织，行三点弯曲试验，同时取正常侧下颌骨和同样大小的同体髂骨块作为力学测试的对照。

取力学测试后的一段10 mm长标本，进行micro-CT扫描^[2,18-20]。将micro-CT扫描数据进行三维重建，在数字模型的中心部位，随机取3个直径1 mm，高度2 mm的圆柱体感兴趣区域(ROI)，进行三维重建和计算，得到包括骨体积分数(BVF)、组织矿物质密度(TMD)、结构模型指数(SMI)以及骨小梁数量(TbN)、厚度(TbTh)、离散度(TbSp)等系列数据，采用单因素方差分析的方法进行统计学分析(SPSS 17.0)。

标本的第二部分用于组织学分析。将10 mm带钛板的标本用塑料包埋液包埋^[2]。制作60 μm厚的带个体化钛板的未脱钙骨组织切片，苏木精-伊红染色，光镜观察。

主要观察指标：采用核医学、力学、影像学和组织学等方法评估骨移植后的转归。

统计学分析：由第一作者采用17.0版的SPSS统计软件进行处理。通过单因素方差分析的方法进行统计学分析。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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讨论

从理论上看，想要恢复正常的下颌骨轮廓外形，只需重建良好的下颌骨颊面形态。事实上，在临床应用钛重建板结合血管化骨移植修复的过程中，主要也是考虑颊侧形态的修复。鉴于此，本研究中的个体化钛板的设计采取对侧下颌骨的镜像数据之颊侧面为基准，以使重建后的下颌骨的颊侧面-外形轮廓达到精确的镜像对称的效果。本课题中的个体化钛板为术前预制，术中无需对钛板进行塑形，而植骨块的修整也较为简单，应用时非常方便，极大简化了手术过程。
众多研究表明，游离骨移植最主要的并发症之一就是植骨块发生感染而坏死。这是因为未血管化的游离移植骨在新的血管网形成之前，植骨代谢的养分供给完全依靠周围组织液的渗透。在移植术后的初期，移植骨块被浸泡于创面渗出的血液中，从中得到细胞代谢所需的养分。但是，对于大块的游离植骨，组织液渗透很难穿过骨块的全层，骨块的中央区域组织液渗透相对缺乏，因而容易发生无菌性骨坏死和骨吸收等。该研究中的植骨块舌侧没有支架的阻隔，软组织直接贴附，组织液渗透较为充分，养分得以保障，则骨块完全成活，且骨改建较为完善。然而紧邻钛板的植骨块的颊侧由于钛板的阻隔，影响了组织液的渗透，养分供给不足，因而发生骨质吸收、纤维化，甚至于骨坏死。后期的研究中，考虑对个体化钛板进一步优化。在保证钛板整体强度的前提下，增加钛板上的开孔数量和密度，或降低钛板的高度，以减小钛板的面积，改善个体化钛板邻近骨质的血运。另外，如果将个体化钛板结合吻合血管的自体骨移植修复下颌骨缺损，因为植骨块自身可保持基本不间断的血液供应，不依赖于周围组织液的渗透，则可避免上述因养分供应不足导致的并发症，从而可以在保证下颌骨外形得到完美重建的同时，重建良好的骨质连续性，用于后期进行种植牙重建咬合功能。
另外，考虑该研究中紧邻个体化钛板的骨质发生骨吸收和纤维化，可能还有其他的因素在起作用，比如咬合应力传导的因素。适当的应力刺激是骨生长改建过程中非常重要的决定性因素。在实验中，个体化钛板固定于下颌骨的颊侧，移植骨块固定于钛板的舌侧，植骨块的颊舌侧所承受的咬合应力必然是有差异的。而这种应力环境的差异，可能是植骨块两侧转归不同的另一个重要原因。在今后的研究中，将进一步通过三维有限元方法分析个体化钛板舌侧的植骨块的应力分布，并对钛板进行优化设计，使之更有利于咬合应力的均匀分布，从而促进植骨块的转归更为理想。
综上所述，实验结果证明证明应用快速成型技术制作的个体化钛板，可以用于下颌骨缺损的修复重建。在恢复颌骨轮廓外形的同时，通过结合自体骨移植，重建了下颌骨的骨质连续性，从而可同时实现颌面部的形态重建和功能重建。

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