犬牙槽骨牵张成骨的生物力学和组织学分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.20.018

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (20): 3212-3217.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.20.018

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犬牙槽骨牵张成骨的生物力学和组织学分析

周苗¹，车月娟²，郭明炎²，黄代营³，朴正国¹，庾晓伟⁴，陈松龄³

1广州医科大学附属口腔医院口腔颌面外科•口腔医学院•广州口腔疾病研究所，广东省广州市 510140；中山大学孙逸仙纪念医院，2麻醉科，4口腔颌面外科，广东省广州市 510120；3中山大学附属第一医院口腔颌面外科，广东省广州市 510160

收稿日期:2014-03-21 出版日期:2014-05-14 发布日期:2014-05-14
通讯作者: 通讯作者：陈松龄，教授，中山大学附属第一医院口腔颌面外科，广东省广州市 510160
作者简介:周苗，男，1977年生，湖北省洪湖市人，汉族，2009年北京大学口腔医学院毕业，博士，主治医师，主要从事口腔种植、颌骨组织工程和相关生物材料的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81000421)；广东省科技计划重点资助项目(2004B33101010)；ITI基金(881-2012)

Biomechanical and histological analysis of alveolar distraction osteogenesis in a canine model

Zhou Miao1, Che Yue-juan2, Guo Ming-yan2, Huang Dai-ying3, Piao Zheng-guo1, Yu Xiao-wei4, Chen Song-ling3

1Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Stomatological Hospital, School of Stomatology, Research Institute of Stomatological Disease, Guangzhou Medical University, Guangzhou 510140, Guangdong Province, China; 2Department of Anesthesiology, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China; 3Department of Oral and Maxillofacial Surgery, the First Affiliated Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510060, Guangdong Province, China; 4Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China

Received:2014-03-21 Online:2014-05-14 Published:2014-05-14
Contact: Chen Song-ling, Professor, Department of Oral and Maxillofacial Surgery, the First Affiliated Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510060, Guangdong Province, China
About author:Zhou Miao, M.D., Attending physician, Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Stomatological Hospital, School of Stomatology, Research Institute of Stomatological Disease, Guangzhou Medical University, Guangzhou 510140, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81000421; Key Program of Science and Technology Plan of Guangdong Province, No. 2004B33101010; ITI Fund, No. 881-2012

摘要/Abstract

摘要：

背景：牙槽骨牵张成骨是解决严重牙槽骨萎缩的重要方法，其成骨过程和生物力学对于以后的种植和修复极为重要，目前一直缺少相关的实验研究。
目的：分析犬牙槽骨牵张成骨的生物力学和组织学特点。
方法：先拔除12只杂种犬双侧下颌前磨牙，牙槽骨修整后，制作萎缩牙槽骨模型。3个月后，植入骨内型牙槽骨牵张器。经过7 d的间歇期，以1 mm/d，1次/d的频率进行牙槽骨垂直向增高。在固定期的1，2和3个月，对牵张后的牙槽骨进行临床、生物力学、放射学和组织学检测。
结果与结论：所有牵张器与周围组织愈合良好。牵张结束时，临床和放射学检查显示：萎缩牙槽骨分别增高 (4.80±0.50) mm和(5.12±0.67) mm。组织学检测发现牵张区骨小梁在固定期的1-3个月成熟，其剪切力逐步提高，固定期3个月时和自体骨的剪切力相当。结果显示牙槽骨牵张成骨的组织学和生物力学性能在固定期3个月时与自体骨相当。

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, 牙槽骨牵张成骨, 力学, 组织学, 牙种植, 犬, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Alveolar distraction osteogenesis is an important method for treating alveolar bone atrophy, the osteogenesis process and biomechanics play a crucial role in the following implantation and repair. At present, no related experimental studies are found.
OBJECTIVE: To analyze the biomechanical and histological characteristics of alveolar distraction osteogenesis in a canine model.
METHODS: Twelve adult mongrel canines received premolars extraction and alveoloplasty in mandible to establish an atrophy alveolar model. After 3 months, a segmental alveolar osteotomy was performed in the randomly selected unilateral atrophy alveolar and two intra-osseous distractors were placed. After a 7-days latency period, the alveolar ridge was augmented at a rate of 1.0 mm/d for 5 days. After a consolidation of 1, 2,
and 3 months, the canines were sacrificed and the specimens of the distracted alveolar bone were harvested for clinical, radiographic, histological and biomechanical analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: The alveolar distractors obtained good healing with surrounding tissue. The atrophy alveolar bones were augmented for (4.80±0.50) mm and (5.12±0.47) mm by clinical and radiographic findings immediately after distraction, respectively. The bone trabeculae in the distracted chamber matured from 1 to 3 months of consolidation by histological analysis. The shearing force of alveolar distraction chamber increased from 1 to 3 months. After 3 months’ consolidation, the shearing force of distracted chamber was comparable to host bone. The histological and biomechanical property of distracted alveolar chamber is comparable to host bone after 3 months’ consolidation.

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: osteogenesis, distraction, mechanics, histology, dental implantation

中图分类号:

R318

周苗，车月娟，郭明炎，黄代营，朴正国，庾晓伟，陈松龄 . 犬牙槽骨牵张成骨的生物力学和组织学分析[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(20): 3212-3217.

Zhou Miao, Che Yue-juan, Guo Ming-yan, Huang Dai-ying, Piao Zheng-guo, Yu Xiao-wei, Chen Song-ling. Biomechanical and histological analysis of alveolar distraction osteogenesis in a canine model[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(20): 3212-3217.

图/表（结果） 1

2.1 临床检查所有的动物能耐受整个手术和牵张过程。有1只出现伤口感染导致牵张器排出，其余伤口愈合正常。固定期0，1，2和3个月的临床牙槽嵴增加高度值分别为(4.80±0.50) mm，(4.67±0.31) mm，(4.41±0.19) mm和(4.32±0.21) mm，增加高度随固定时间延长有所降低。在牵张后2个月复查，舌侧骨板触诊坚硬、连续性好。在整个观察期，唇侧骨面触诊粗糙。牙槽黏膜和牙龈颜色未出现明显改变。牵张器与周围组织愈合良好。

2.2 放射学检查种植体植入后放射学检查显示牵张器就位良好，在输送盘和基骨间有约1 mm的阴影。所有的牵张器都可使输送盘增高，输送盘两端有明显的骨突。固定期1个月时，发现输送盘与基骨之间有明显的透射区，输送盘两端与基骨的界限变模糊，骨突明显变钝。颊侧的透射影比舌侧更明显。垂直向观察，牵张区中部透射最明显，向两端密度逐渐变高(图2A)。固定期2个月时，牵张区的阻射较1个月明显上升，牵张区与基骨和输送盘的界限隐约可见。输送盘两端的骨突与邻近骨连接平滑。牵张区的阻射为舌侧高于颊侧、两端高于中间(垂直向)。颊侧的阴影区较1个月时明显减少(图2B)。固定期3个月时，牵张区阻射较2个月又有提高。牵张区舌侧骨与基骨和输送盘阻射程度无分别。颊侧牵张区可见中间段向舌侧凹陷。螺纹杆周围骨质成明显阻射影。整个牵张器与周围骨紧密结合，未见阴影区(图2C)。固定期0，1，2和3个月的放射学牙槽嵴高度增加值分别是(5.12±0.67) mm，(4.92±0.57) mm，(4.73±0.46) mm和(4.58±0.35) mm，增加高度随固定时间延长而降低。

2.3 组织学检查固定期1个月时，牵张区可见由3个区组成：与两边的宿主骨交界处为疏松的、网状骨小梁，中间为纤维组织区。牵张区未发现有软骨的存在，骨组织主要是由纤维组织中的间充质细胞直接分化为骨母细胞，再分化为成骨细胞产生新生骨，新生骨进一步改建、成熟。在骨小梁区，可看到靠近中间的部分较为幼稚，骨小梁纤细，有时在纤维组织中直接形成骨岛；在接近宿主骨的部分，骨小梁逐渐致密、粗大，并向板状骨过渡，形成陷窝状的编织骨。在新生骨小梁的周围有成骨细胞规则地围绕，提示有活跃的成骨。纤维结构区可见纤维组织排列与牵张方向一致，其间可见大量的毛细血管，新生血管的方向与牵张方向一致(图3A)。在整个牵张区未发现软骨成骨区，说明牙槽骨牵张成骨术的骨愈合是以膜内成骨的方式进行的，与骨折愈合的方式明显不同。固定期2个月时，大部分的牵张区由网状的骨小梁组成。骨小梁的结构较1个月时变粗，变密和规则。在骨小梁的周围可见成骨细胞围绕。舌侧骨板由完整的骨小梁连接；在颊侧，有软组织向内生长，使颊侧牵张区形成凹陷，这与放射学检查的结果一致(图3B)。固定期3个月时，牵张区主要由板状骨和编织骨组成，有规则的哈弗管。骨组织间的血管密度较1个月、2个月有降低。可观察到骨组织的血管方向与牵张方向一致。板状骨中可以观察到破骨细胞，提示存在骨的形成与改建(图3C)。

2.4 生物力学检测比较1个月组、2个月组、3个月组与对照组的剪切力发现：牵张区的剪切力值随着固定期的延长而上升，1个月组、2个月组与3个月组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)，3个月组与对照组比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见图4。

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引言

材料方法

设计：前瞻性动物实验，采用牵张器对一侧萎缩的牙槽骨进行垂直向牵张成骨，另外一侧为对照组。

时间及地点：实验于2001年9月至2008年8月在中山大学附属第一医院动物实验中心完成。

材料：

实验动物：健康成年犬12只，雌雄不拘，体质量 12-20 kg，平均体质量15 kg，由中山大学动物中心提供。所有动物口腔内无感染灶，进食正常，活泼好动，购买后饲养一两周，使其适应周围环境以及半流质饮食。实验得到中山大学伦理委员会的批准。

器械：骨内型牙槽骨牵张器由作者设计并由广东捷达时金属制品公司生产，生产材料为医用钛合金。牵张器有3个主要部分：输送体、支持体和中心螺杆。输送体为柱状结构，高7.5 mm，直径3.5 mm。支持体是柱状结构，其表面每隔120°角有一个垂直向的沟槽，便于骨内固位。支持体内有螺丝孔，旋转中心螺杆时，输送体向上移动，增高牙槽骨。按照中心螺杆的长度差异，可增高牙槽骨 1.0 mm到16.0 mm不等。采用专用的螺丝刀进行加力，将其插入六角形的螺丝顶端，旋转360°相当于提高0.4 mm。外科工具包括金刚砂片，Lindemann裂钻，牵张器输送器、底座取出器、球钻、裂钻、直径分别为3.0 mm和3.75 mm的扩孔钻、直径3.75 mm的攻丝钻、微型骨凿等。

实验方法：

外科步骤：犬腹腔注射戊巴比妥钠(30 mg/kg)进行全麻，拔除双侧下颌前磨牙，行牙槽骨修整术，严密缝合，形成萎缩下颌牙槽骨。3个月后随机选择一侧下颌骨植入牙槽骨牵张器，另外一侧作为对照组。采用牙槽嵴顶切口，先设计输送盘，用消毒铅笔画出长3 cm，高0.5 mm的矩形截骨线，两侧垂直截骨线稍向外倾。用金刚砂片进行水平截骨；再用小骨凿在截骨线处轻轻撬动，注意保持输送盘的舌侧黏膜蒂。随后，用小裂钻进行垂直截骨，将颊侧骨板离断的同时保留舌侧骨皮质，然后植入牵张器。植入时先用小裂钻定位，再用扩孔钻将窝洞逐级扩大，手动攻丝，植入牵张器和底座；旋入螺纹杆将输送盘升高3 mm进行试牵张，观察输送盘与基骨之间有无干扰。截骨过程中注意喷水降温，避免骨灼伤。将输送盘复位后分层缝合。术后 3 d每天肌注头孢拉定2 g。

牵张过程：间隙期为7 d，其间喂以流质饮食。牵张前肌注氯胺酮(10 mg/kg)进行快速的诱导麻醉。牵张参数是1次/d，1 mm/次，连续5 d (图1)。牵张前用H₂O₂和生理盐水仔细清洗牵张器，观察愈合情况。实验犬在固定期的1，2，3个月用过量苯巴比妥钠腹腔注射处死，每个时间点4只，取材进行大体、放射学、组织学和生物力学检查。

主要观察指标：

临床观察：全麻后，大体观察固定期0，1，2和3个月的下颌牙槽骨标本，观察牵张器与周围组织的愈合情况，

测量牵张前后牙槽嵴顶到邻牙牙尖垂直距离，计算其差值为临床增加高度值。

放射学检查：在牵张结束时，全麻进行下颌骨放射学检查。固定期的1，2，3个月，取带牵张器的下颌骨进行放射学检查，用牙片机(X-mind AC, ACTEON, France)对牙槽骨牵张后增加高度进行测定。拍摄条件：40 kV、100 mA、曝光时间0.05 s，拍摄距离约5 cm，测量下颌骨下缘到牙槽嵴顶的距离，用牵张器本身来标定放大率。

生物力学检查：将下颌骨标本于-20 ℃冰箱内保存，48 h内进行生物力学测试。试件的制作：每个牵张区取1个试件，选择牵张区骨质无缺损者进行测试，用金刚砂片将牵张区的下颌骨沿横截面制成5 mm厚的组织块，用砂纸打磨，将试件安放在MTS858Mini Bionix(美国)材料力学实验机上，将基骨端固定，以压头对牵张区进行剪切，用配套的测力传感器测试，机载电脑记录测试值。取对侧的萎缩牙槽骨制作同样大小的试件，进行生物力学测试。

组织学检查：在固定期的1，2，3个月处死动物，将获得的下颌骨标本用甲醛固定，用14%的硝酸脱钙两三天，以组织刀能切开为准。取出牵张器，脱水，石蜡包埋，制成4 μm厚组织切片，苏木精-伊红染色和Masson三色染色，光镜观察。

统计学分析：数值以平均值±标准误进行表示，采用SPSS 16.0软件进行统计学分析。组间比较采用one-way ANOVA，两两比较采用Student-Newman-Kewls进行检测。P < 0.05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：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

对于外伤、口腔颌面部肿瘤切除、先天性畸形等引起的牙槽骨垂直向重度骨缺损，常需要采用牙槽骨牵张成骨技术，将萎缩的牙槽骨增加至合理的高度，在牵张的同时对软组织进行扩张，以进行基于牙种植的美学重建和功能修复^[31-32]。对于种植体植入时机，需要考虑牙槽骨牵张区的生物力学和组织学特点，通常认为只有牙槽骨牵张区的强度足够，在保证其高度稳定的情况下，应尽早拆除牵张器进行牙种植。拆除牵张器，早期负重对于牙槽骨牵张区的功能锻炼可以减少牙槽骨高度的丧失，使牵张区的再生骨加速成熟^[6,33-34]。轴状骨牵张成骨时，固定期长短可以按照牵张期--固定期的指数进行判定，但是这个指数是否适合于牙槽骨牵张成骨，仍未可知^[2-3]。本实验研究了牙槽骨牵张成骨的组织学和生物力学特点。在牙槽骨牵张成骨过程中，新生骨的质和量决定于固定的稳定性、固定期的长短、局部的血供和牵张的频率和时间等。实验结果表明，牙槽骨牵张成骨时牵张区的成熟比四肢骨牵张成骨时成熟更快、更早，可能的原因有：本实验中牙槽骨牵张的距离短(为5 mm)、动物种属的差异、局部结构差异等^[35]。

牙槽骨牵张器和牵张种植体是目前临床使用较广泛的两种牙槽骨牵张器械^{[21,29,36-42]}。牵张种植体能在牵张成骨增高牙槽骨后变为牙种植体，并在牵张种植体上进行修复^[35]。牵张种植体的缺点是种植的部位对于最终的修复设计可能不利，特别是前牙区的严重牙槽骨萎缩，进行牵张成骨后，牵张种植体的位置可能不适合修复。在不合理的牵张种植体上进行修复，会导致修复后牙冠形态欠美观、牙龈形态欠佳和咬合关系欠佳等^[43]。在一些病例，牵张后的牙槽骨宽度不足，可能需要水平向植骨，这时进行二期种植，可将种植体植入在最合理的部位。本实验已经证明，使用自行设计的牙槽骨牵张器可以增高萎缩牙槽骨。牙槽骨牵张结束后，牵张器可以固定输送盘。在固定期结束后再种植，种植体可按照修复的需要植入^[44]。

组织学检查也印证了放射学和生物力学检查结果。在其他研究者报道犬牙槽骨牵张成骨动物实验中，输送盘的尖锐边缘在固定期逐渐变圆滑，在此次研究中，也发现这种现象，这应该是由于尖锐的边缘出现骨吸收和重建所致。作者发现，牵张区于牵张后12周在放射学上无法区分。牵张区的骨小梁随固定期的时长增粗，骨的形态和体积比与宿体骨接近^[35]。

在牙槽骨牵张成骨后12周，牙槽骨的剪切力和宿主骨接近。在山羊的下颌骨牵张成骨后的生物力学检测中，再生骨的抗压(the compressive strength)和应变(bending stiffness)在固定期的4周和8周分别达到正常值。但在固定期的8周，剪切力值仍然低于对照组^[11]。牙槽骨牵张区的生物力学特征影响种植体植入后的成功率^[45]。如果牵张区新生骨没有足够成熟去支撑随后的牙种植体和修复，种植体的方向可能会腭向倾斜。为了减少可能的并发症，最好植入较长的种植体，保证植入到宿主骨中^[46]。根据实验结果，在牙槽骨牵张成骨后3个月时植入，由于牵张区骨已经成熟，可以植入常规长度的种植体。植入的种植体如果达到足够的初期稳定性，可以进行即刻修复。如果在3个月前植入，由于牵张区的骨未成熟，最好植入长的种植体，可以固定输送盘和宿主骨。在这种情况下，作者建议采用马里兰桥等临时修复方法，将义齿固定在邻牙上，减少对牙槽骨牵张区的压力，避免牵张高度降低。本研究提示，在牵张后3个月犬牙槽骨牵张区成熟，这种牵张区植入的种植体可以有初期稳定性，可以进行修复或者负重。直到目前为止，还没有研究分析不同长度的种植体植入牙槽骨牵张区的存留率和成功率^[30]。

按照Wolff原则，有生命力的骨组织在负重下可以锻炼生长，没有负重时萎缩吸收^[47]。Costantino等^[48-49]通过下颌骨牵张成骨后1年的观察发现，长期的固定对于新骨的形成和钙化是不利的，目前的观点认为适当的刺激对于骨的生长、成熟是适当的。这个研究发现在下颌骨牵张成骨固定期的1年以内，固定期的长短能影响新骨的形成和矿化所带来的生物力学性能改变。如果没有对再生骨进行功能性的刺激，骨吸收和脱矿可能在牵张后长期存在。因此，作者认为在固定期3个月结束后，应该尽早植入种植体，牵张区的骨质已经成熟，进行功能性刺激或者负重，可以加快成骨、延缓可能的骨吸收。

本实验中牵张的高度随时间延长有一定的丧失，可能的原因包括软组织的张力、输送盘的吸收、器械的复位等，所以建议牵张的高度要略高于需要的牙槽骨高度，这样即使有一定的牙槽骨吸收，也不会影响随后的种植修复。

结论：犬牙槽骨牵张成骨在固定期3个月时其组织学和生物力学特性与宿体骨相当，可以早期进行种植体植入。

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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犬牙槽骨牵张成骨的生物力学和组织学分析

Biomechanical and histological analysis of alveolar distraction osteogenesis in a canine model

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