60Co放射及微量元素锌对钛种植体固位强度的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.25.018

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (25): 3764-3770.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.25.018

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⁶⁰Co放射及微量元素锌对钛种植体固位强度的影响

陈海军¹，林均舟¹，钱奇春¹，于淑湘¹，南福清¹，杨博程¹，张腾¹，张静波¹，张安生²

¹解放军第九十七医院口腔科，江苏省徐州市 221004；²解放军73087部队医院，江苏省徐州市 221011

收稿日期:2016-04-02 出版日期:2016-06-17 发布日期:2016-06-17
通讯作者: 张安生，博士，主治医师，解放军73087部队医院，江苏省徐州市 221004
作者简介:陈海军，男，1964年生，安徽省萧县人，汉族，1996年解放军第四军医大学口腔医学院毕业，硕士，主任医师，主要从事口腔种植体骨界面力学分析的研究。

Effects of ⁶⁰Co irradiation and trace element zinc on fixation strengths of titanium implant

Chen Hai-jun¹, Lin Jun-zhou¹, Qian Qi-chun¹, Yu Shu-xiang¹, Nan Fu-qing¹, Yang Bo-cheng¹, Zhang Teng¹, Zhang Jing-bo¹, Zhang An-sheng²

¹Department of Stomatology, the 97^th Hospital of Chinese PLA, Xuzhou 221004, Jiangsu Province, China; ²Hospital of the 73087 Troop of Chinese PLA, Xuzhou 221011, Jiangsu Province, China

Received:2016-04-02 Online:2016-06-17 Published:2016-06-17
Contact: Zhang An-sheng, Ph.D., Attending physician, Hospital of the 73087 Troop of Chinese PLA, Xuzhou 221011, Jiangsu Province, China
About author:Chen Hai-jun, Master, Chief physician, Department of Stomatology, the 97th Hospital of Chinese PLA, Xuzhou 221004, Jiangsu Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

钛种植体：种植术后种植体能否与牙槽骨形成骨性结合是影响种植术成败的关键指标，也是种植体行使功能的生物学基础。种植术完成后，种植体的良好生物相容性是能否促使种植体与人体组织间相互作用，并在种植体-骨界面产生骨性结合的关键。钛种植体是目前临床应用最为广泛的种植体，一方面金属钛具有良好的物理性能和机械性能，另一方面金属钛还具有良好的生物相容性，是目前较为理想的制作种植体的材料。

种植体固位强度：种植体置入后能否承受咀嚼所带来的各种应力是种植术成功与否的关键所在。因此对一种种植体或者种植方法的评估必须对种植体的固位强度进行检测，常用的方法是取材后应用力学测试仪对固位力进行检测，而种植体固位强度(MPa)=种植体固位力/种植体表面积。

摘要

背景：癌症患者术后放疗可能对种植体固位产生不利影响。

目的：观察⁶⁰Co放射及微量元素锌对钛种植体固位强度的影响。

方法：选择成年雄性家兔36只，双侧胫骨近心端各置入1枚钛种植体，建立钛种植体动物模型，随机分为对照组、补锌组、放疗组和放疗补锌组。补锌组动物肌注10 g/L硫酸锌，4 mg/kg，1次/d；对照组给予相同剂量的生理盐水；放疗组动物种植部位给予45 Gy的⁶⁰Co照射并肌注生理盐水；放疗补锌组给予⁶⁰Co照射的同时补锌。分别于术后1，4，12周处死动物，测量并比较各组钛种植体固位强度。

结果与结论：①补锌能够使种植体获得更高的固位强度，并且在术后4周达到较高水平；②⁶⁰Co照射可以显著抑制种植体固位强度，⁶⁰Co照射后补锌仍可以提升种植体固位强度；③结果提示，放疗术后适量的补锌能够减轻放疗对种植体固位的不利影响。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

ORCID: 0000-0002-6410-0671(陈海军)

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 种植体, 微量元素锌, 放射, ⁶⁰Co照射, 固位强度

Abstract:

BACKGROUND: Irradiation therapy in the cancer patients after surgery may have negative effects on implant fixation.

OBJECTIVE: To observe the effects of ⁶⁰Co irradiation and trace element zinc on fixation strengths of titanium implant.

METHODS: Thirty-six adult male rabbits were involved. One piece of titanium implant was separately placed into the bilateral proximal tibial heads in rabbits to set up animal models of titanium implants. The animals were randomly divided into control group, zinc supplement group,⁶⁰Co irradiation group and ⁶⁰Co irradiation and zinc supplement group. Zinc sulfate of 10 g/L was administered intramuscularly to animals in the zinc supplement group at the dose of 4 mg/kg once per day, and those in the control group were treated with saline at the same dose. The animals in the⁶⁰Co irradiation group received ⁶⁰Co irradiation at the dose of 45 Gy and saline by intramuscular injection. Those in the ⁶⁰Co irradiation and zinc supplement group received ⁶⁰Co irradiation and zinc sulfate. The animals were killed at 1, 4 and 12 weeks after treatment. The fixation strengths were measured and compared among groups.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Zinc supplement made the titanium implants have higher fixation strengths, and reach a high level at 4 weeks after surgery. (2) ⁶⁰Co irradiation significantly inhibited the fixation strengths of the implants. After⁶⁰Co radiation, zinc supplement still could promote fixation strengths of titanium implants. (3) It is indicated that amount of zinc supplement after irradiation therapy can alleviate the negative effects of irradiation on implant fixation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Cobalt, Zinc, Radiotherapy, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

陈海军，林均舟，钱奇春，于淑湘，南福清，杨博程，张腾，张静波，张安生. ⁶⁰Co放射及微量元素锌对钛种植体固位强度的影响[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(25): 3764-3770.

Chen Hai-jun, Lin Jun-zhou, Qian Qi-chun, Yu Shu-xiang, Nan Fu-qing, Yang Bo-cheng, Zhang Teng, Zhang Jing-bo, Zhang An-sheng. Effects of ⁶⁰Co irradiation and trace element zinc on fixation strengths of titanium implant[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(25): 3764-3770.

图/表（结果） 2

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引言

随着医学科学的不断发展，牙体种植逐渐成为修复牙列缺损最为理想的手段之一。影响牙体种植成败的因素很多，其中种植体材料的表面特性，以及种植体的物理机械性能及其形态学特点等都是至关重要的影响因素，很大程度上决定了种植术的成功与否。种植术后，种植体能否与牙槽骨形成骨性结合是影响种植术成败的关键指标，也是种植体行使功能的生物学基础。种植术完成后，种植体的良好生物相容性是能否促使种植体与人体组织间相互作用，并在种植体-骨界面产生骨性结合的关键。

钛种植体是目前临床应用最为广泛的种植体，一方面金属钛具有良好的物理性能和机械性能，另一方面金属钛还具有良好的生物相容性，是目前较为理想的制作种植体的材料^[1]，因此也成为种植领域的研究热点。Le Gu’ehennec等^[2]将骨融合定义为直接使骨种植体在无结缔组织层干扰的情况下与骨接触。相比于与牙龈软组织的结合，种植体-骨融合是更为重要的一种生物固定，能够保证义齿种植的成功及其长期有效。

钛种植体与活体组织结合的相关影响因素很多，例如种植体的抗力性能，能否承受咀嚼所带来的各种应力是种植术成功与否的关键所在。在种植体与骨组织之间的结合界面上，当种植体承载咀嚼负荷时，种植体-骨界面所承受的应力主要包括压应力、张应力和剪切力。其中，剪切力可使种植体-骨界面相互错位，而张应力可使界面分离。但在一定的生理范围内，骨组织对压应力具有良好的耐受性^[3]，骨组织对压应力的耐受性能远远高于对剪切力和张应力的耐受性能。因此，在合理的范围内，适度增加种植体一骨界面的压应力，往往有利于维持界面的稳定，因而有助于提高种植术的远期成功率^[4-5]。此外，钛种植体本身的物理机械性能，如弹性模量、种植体表面的钛氧化膜以及种植体表面的粗糙度等都对种植体与骨组织之间形成骨性融合具有重要影响^[6-10]。另外，微量元素也对早期种植体表面骨融合的形成具有重要影响。课题组前期研究结果表明，在种植体置入后适量补锌，能够促进种植体表面骨性组织的形成，有利于早期形成种植体骨融合^[11]。

目前，种植术已成为头颈癌症患者术后修复必不可少的手段之一，其主要用于义齿和赝复体的固位以修复牙列缺损或颌面缺损。而癌症患者在外科手术后通常还需要接受放疗以辅助治疗，种植体经常种植于放射组织床或计划实行放疗的区域。放疗前置入种植体可缩短修复时间，但目前对这方面的研究较少，且结果不一，故文章旨在探讨放疗前置入种植体的可行性。另一方面，种植体骨融合与骨折愈合、拔牙创愈合的成骨方式相似^[3^，^12-14]，近年来，国内外很多实验已经证实，锌作为一种人体必需的微量元素，能够加速骨折或者拔牙创伤的愈合^[15-19]。

研究组前期的实验结果证实，补锌可以加速种植体骨融合^[11]。因此，文章制备家兔胫骨近端置入钛种植体的动物模型，利用⁶⁰Co照射术区模拟放疗，术后辅以微量元素锌的补充，采用力学测试仪对种植体的固位强度进行检测，以探讨⁶⁰Co照射及补锌对种植体固位的影响。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计随机对照动物实验。

1.2 时间及地点于2015年6至9月在徐州医学院附属淮海医院实验室完成。

1.3 材料

动物：成年清洁级雄性健康家兔36只，体质量2.0-2.6 kg，由徐州医学院附属淮海医院动物实验中心提供，许可证号：SCXK(苏)2014-0017。常温常湿，正常喂食，自由饮水，12 h光照。实验过程中对家兔的处置方法符合动物伦理学要求。

钛种植体制备：采用TA2型纯钛(陕西宝鸡有色金属研究院提供)，制成表面光滑，长5.0 mm，直径2.0 mm底部呈半球状的圆柱状种植体。内径1.4 mm，有螺纹，上端由可装卸的帽覆盖。另设计一连接杆，下部长 3.0 mm，外径1.4 mm，可旋入种植体内部；上部长 5.0 mm，外径2.0 mm。300 g/L硝酸钝化，三氯乙烯、无水乙醇超声清洗，高温消毒后备用。

主要试剂与仪器：硫酸锌(分子式：ZnSO₄•7H₂O，西安化学试剂厂，分析纯)；QX-W600力学测试仪(上海企想检测仪器有限公司，中国)。

1.4 干预措施

1.4.1 钛种植体动物模型建立^[20] 同批生产的兔颗粒饲料(含锌量21.5 μg/g)，喂食150 g/d。饮用水为去离子水，不限量。适应性饲养3 d，10 g/L戊巴比妥钠，按 30 mg/kg静脉麻醉。用8%硫化钠于家兔双侧后肢膝关节外下方皮肤脱毛并冲洗。将家兔固定于手术台上，消毒铺巾。为防止种植体置入后顶破伤口，切口设计在膝关节外下方。纵行切开皮肤，切口长3 cm，翻起黏骨膜瓣，暴露胫骨近心端前侧。用直径为2.2 mm的麻花钻扩孔(转速2 000 r/min)，生理盐水冷却，扩孔深度为5 mm，按种植手术要求，双侧胫骨近心端各置入1枚钛种植体，分层缝合黏骨膜和皮肤。术前30 min和术后即刻各肌注青霉素20×10⁴ U。

造模后按随机数字分为4组，每组9只动物，18枚种植体，分别记为对照组、补锌组、放疗组和放疗补锌组。

1.4.2 放射方法放疗组和放疗补锌组的家兔双侧胫骨近心段接受⁶⁰Co照射。放射总剂量为45 Gy。采用分次照射的方法，5 d放射3次，15 Gy/次。于种植术后第2，4，6天照射。放射范围为6 cm×7 cm，其余部分用铅板保护。

1.4.3 补锌方法补锌组和放疗补锌组的家兔于术后24 h起，经肌肉注射10 g/L硫酸锌，4 mg/kg(0.4 mL/kg)，1次/d，至实验结束前24 h止。对照组和放疗组家兔于术后24 h起，肌注9 g/L生理盐水，0.4 mL/kg，1次/d，至实验结束前24 h止。

1.4.4 取材及标本处理实验动物分别于种植体置入后第1，4，12周用心脏抽血法处死，每个时点处死3只。用金刚砂片切取胫骨近端，每个动物得含钛种植体的标本2个，冷冻(-20 ℃)保存，备作生物力学测试。

1.4.5 生物力学测试旋出种植体覆盖螺丝，再旋入连接杆。连接杆上端放入力学测试仪夹具内夹紧，使种植体长轴与加力方向一致。种植体周围骨组织下3/4包埋于丙烯酸树脂中。以0.25 mm/min的速度施加牵引力，记录使种植体骨分离的牵引力，即为种植体固位力。

种植体固位强度(MPa)=种植体固位力/种植体表面积。

1.5 主要观察指标测试比较各处理组种植体的固位强度。

1.6 统计学分析采用SPSS 17.0统计软件包对数据进行处理，数值以x(_)±s表示，种植体固位强度的比较采用方差分析，组间比较采用LSD-t 检验，以P < 0.05认为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

癌症患者在外科手术后通常还需要接受放疗以辅助治疗。放射线的能量在破坏潜在的癌变组织的同时，可能对周边的正常组织产生附带损伤。生物体在受到放射线照射的过程中会产生大量的自由基，后者是生物组织受到放射损伤的主要原因。放射性骨损伤是常见的放疗并发症之一。研究表明，剂量为5 Gy的放射线照射可显著降低正在愈合的骨组织的再生能力^[5]，总剂量为40-60 Gy的常规分次放射可使骨组织产生永久性改变，剂量超过60 Gy可引发骨组织发生自发性的放射性坏死^[6]。而对于头颈癌症患者来说，术后修复的重要性不亚于对肿瘤的治疗本身，在其中种植术是必不可少的一种修复手段，其主要用于修复牙列缺损或颌面缺损时义齿和赝复体的固位。种植术成功的关键所在就是能否实现种植体与牙槽骨之间产生骨融合。但肿瘤术后的放疗有可能引发放射性颌骨损伤，因此必然对种植术的成功造成不利影响。多支国外研究团队的科研结果表明，放疗会显著降低种植体骨融合率及种植体的固位力^[21-22]。

Hun等^[23]在试验中将IMZ钛种植体置入新西兰大白兔双侧胫骨近端。在种植术后，即骨融合形成期，一侧接受¹³⁷Cs 1728Rets照射，另一侧作对照。于种植术后的第8周对种植体的骨融合率进行测定，结果放疗侧骨融合率为76%，对照侧为95%，二者相差显著。

Summer等^[24]在35只狗的双侧胫骨置入表面微孔型种植体。种植术后，一侧接受放射线照射，另一侧作对照，其中14只狗的照射剂量为5 Gy，另外21只狗的照射剂量为10 Gy，随后对种植体固位力及种植体微孔内的骨生长量进行测定。该研究的结果发现，5 Gy的照射剂量对种植体的固位力以及种植体微孔内的骨生长量并无显著影响。而在照射剂量为10 Gy的实验组，种植术后2周时，放疗侧种植体的固位力为对照侧的50%；种植术后4周及8周时，放疗侧与对照侧的种植体固位力则无明显差别。放疗侧种植体微孔内的骨生长量在种植术后2，4和8周时均显著低于对照侧，分别为对照侧的30%，70%和56%。

Khateery等^[25]在新西兰大白兔双侧胫骨近端骨膜下置入颗粒型羟基磷灰石。种植术后3周，右侧接受放疗，照射剂量为22.5 Gy，左侧作对照，随后连续观察4个月。该研究结果发现，在放疗侧的羟基磷灰石颗粒周围，新骨形成量与对照侧相比并无显著差异，说明放疗对种植体骨融合的行程无妨碍作用。

据Razayi等^[26]对1例口腔癌患者的病例报告，该患者在外科手术切除肿瘤后，接受了种植术以行义齿修复，于下颌骨置入5颗羟基磷灰石种植体，6个月后行义齿修复。在种植术完成后的第8个月，该患者被诊断为左侧颈部转移性鳞状细胞癌而接受放疗。种植体周围骨组织接受了总剂量近40 Gy的放射线照射。种植义齿在放疗期间未拆除，均行使功能，义齿功能良好。患者咀嚼和发音功能均未受影响。种植体固位稳固。X射线检查未见种植体周围牙槽骨吸收。放疗期间及放疗术后，基台周围牙龈健康，种植体牙周袋深度为1-3 mm。

综合以上文献报道的结果可以发现，目前医学界对于放疗对种植体骨融合及种植体固位是否具有不利影响尚无明确定论^[27]；放疗对种植体周围骨性组织的生长、种植体骨融合以及种植体固位强度产生不利影响，这种不利影响在种植术后的早期，尤为明显，但是在种植术完成一段时间后再接受放疗则可以规避这种不利影响。

在此次实验中，动物在种植术完成后第2天即开始接受放疗，结果表明，⁶⁰Co照射对种植体的固位强度产生不利影响。力学测试的统计学研究结果结果表明，⁶⁰Co照射组在术后1周其种植体固位强度显著低于对照组，而随着时间的推移，在术后第4周和第12周，其固位强度显著低于其他各实验组。但是种植术后1周内行总剂量为45 Gy的⁶⁰Co分次放疗，并未导致种植体的与骨结合的失败，在第12周，⁶⁰Co照射组的固位强度显著高于第1周，说明放疗组种植体仍可与骨组织结合，并且种植体固位强度随着时间的推移可以逐渐增强，这与本研究组之前的研究结果相一致^[28]。然而，在种植术后12周以后，放疗组种植体的固位强度仍显著低于其余各组，其固位强度能否随着时间的推移达到正常水平，仍有待于进一步研究。

锌是人体所必需的微量元素之一，具有重要的生理功能。研究表明，锌广泛存在于骨组织中，影响着骨组织的正常代谢，锌元素的缺乏可引发骨代谢异常和多种畸形。体外研究发现，锌能够提高细胞中碱性磷酸梅的活性，增加DNA的含量，因而能够促进成骨细胞的分化及功能表达，促进骨基质的形成及其钙化^[9,29-43]。在种植术中，种植窝预备引起的骨损伤的愈合与拔牙创、骨折愈合的成骨方式相似；而种植体的骨融合是成骨细胞和成纤维细胞竞争的结果。由此推测，补锌能够促进体内成骨细胞的分化，进而促进种植体的骨融合。作者所在课题组前期的研究结果表明，补锌能够提高种植体的骨融合率以及固位强度，促进种植体的骨融合^[11,29-31]。

此次实验的结果表明，⁶⁰Co照射对种植体固位会产生不利影响，在第4周和第12周，⁶⁰Co照射组的种植体固位强度均显著低于对照组。与之相反，补锌组在相同时间段内，其种植体固位强度均显著高于⁶⁰Co照射组，在第4周其种植体固位强度显著高于对照组，而在第12周，其种植体固位强度仍高于对照组，但两者相比差异无显著性意义。说明补锌能在种植术后的早期(1-4周)即形成骨性愈合，增强种植体固位强度。同时作者发现，放疗补锌组在第4周和第12周时，其种植体固位强度也显著高于⁶⁰Co照射组。说明即使在⁶⁰Co照射，微量元素锌的补充仍可以加速提升种植体的固位强度。

结论：⁶⁰Co照射不利于种植体的固位，而锌的补充能够加快种植体固位强度的提升，减轻⁶⁰Co照射对种植体固位产生的不利影响，提高种植术的成功率。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

⁶⁰Co放射及微量元素锌对钛种植体固位强度的影响

Effects of ⁶⁰Co irradiation and trace element zinc on fixation strengths of titanium implant

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