正畸牙移动的实验模型研究进展

龙 茜， 管晓燕，刘建国,2

(1.遵义医科大学附属口腔医院，贵州 遵义 563099；2.贵州省普通高等学校口腔疾病研究特色重点实验室暨遵义市口腔疾病研究重点实验室，贵州 遵义 563006)

1 动物模型

近代口腔正畸学始于19世纪末20世纪初，学者们利用动物模型对正畸牙的移动机制、移动速度、干预因素及相关并发症等问题进行了一系列的研究，实现了口腔正畸研究质的飞跃[2-4]。动物模型的构建主要涉及实验动物的选择及饲养和模型建立方法的选择这两方面。

1.1 动物的选择及饲养 大鼠是构建正畸牙移动模型的首选实验对象，同时也是最常用的。因为大鼠磨牙的结构与人类磨牙极其相似，而且易于饲养、生长周期短、费用低廉。除此之外，还可选择犬、兔、猴等动物作为实验对象[5]。通常选择体重200～400 g不等、7～8周龄、无特定病原体的大鼠，以SD大鼠和Wistar大鼠品系为主[6]。大鼠上下颌均可用于建模，上颌牙的实验操作较下颌容易，下颌牙安装矫治器后固位效果较上颌好。建模的整个过程，大鼠需饲养于完全清洁环境中，自由进食灭菌食物，尽量降低外界影响，保证大鼠正常健康的生长[7]。

1.2 模型建立方法 动物模型建立主要有以下4种方法：单纯钢丝结扎、单纯钢丝结扎结合釉质粘接剂、个体化正畸装置和骨皮质切开术辅助正畸矫治。前3种方法是以近中移动大鼠第一磨牙为目标，仅在大鼠牙齿上安装正畸矫治器；第4种是以快速移动大鼠牙齿、稳定正畸效果为目标，在安装正畸矫治器的基础上，行骨皮质切开术。4种建模方法均需术前麻醉并固定大鼠，术毕立即给予抗生素，术后观察大鼠至完全清醒。加力装置常用镍钛螺簧，还可用弹力线[8]，所加力值在30～60 g[9]。下面将这四种建模方法分为单纯正畸矫治和骨皮质切开辅助正畸矫治两大类进行阐述。

1.2.1 单纯正畸矫治 单纯钢丝结扎法由King等[5]发明，具体操作是在两切牙间隙及第一、第二磨牙间隙之间穿过不锈钢结扎丝，再分别穿过镍钛螺簧的两端。为了增加前牙支抗，可将两切牙连扎为一整体，构建近中移动磨牙的模型[10]。Yang[11]、黄艳[12]、李维康[13]等人在单纯钢丝结扎法的基础上结合釉质粘接剂，加强前牙支抗。操作步骤是先完成单纯钢丝结扎法，然后清洁两切牙不锈钢丝周围的牙面，口腔常用酸蚀剂酸蚀，冲洗吹干隔湿后，釉质粘接剂均匀涂抹在牙面上，光固化后即可增加矫治器固位，加强支抗。Karras等[14]发明的个体化正畸装置的操作相对复杂，具体操作是先制取大鼠上下颌印模，得到石膏模型后制作个体化带环并在近远中面制备出小孔，然后将不锈钢结扎丝固定在预留的小孔中，利用玻璃离子水门汀将其粘接于对应牙齿上，镍钛螺簧的两端与不锈钢结扎丝连接加力。

1.2.2 骨皮质切开辅助正畸矫治 随着社会需求的变化，骨皮质切开辅助正畸矫治已成为当下研究热点。上世纪末至今，研究者们开展了众多骨皮质切开技术的研究，其基本原理均是在不损害骨松质、保留完整的血管神经束和骨膜的前提下把骨皮质断开，辅助正畸治疗。Duker等[15]是在大鼠口腔内翻全厚瓣，分垂直切口和水平切口，垂直切口是在牙长轴近远中方向垂直切开骨皮质，高度至少距牙槽嵴顶下方约2mm，在根尖上方再做水平切口。Wilcko等[16]的做法是用快速手机将垂直和水平切口打磨成连续的穿透骨皮质的小孔。何欣等[17]利用Wistar大鼠进行建模，从大鼠上颌第一磨牙的近中至远中，翻一长约5mm的全厚瓣，在颊腭侧牙槽骨距牙槽嵴顶约 lmm处用快速手机沿近远中方向连续打孔，穿透骨皮质全层。骨皮质切开术后，正畸矫治器的安装同前。

1.3 动物模型的应用及优劣 动物模型的建立主要用于以下研究：①牙周组织改建；②药物对正畸牙的作用；③牙根吸收及修复机制研究；④正畸牙移动的加速[18]。1932年，Schwarz等[19]通过动物模型提出了压力-张力理论，为正畸牙移动机制研究奠定了理论基础。Bonafe - Oliveira等[20]通过大鼠建立正畸牙模型观察到正畸初期加力阶段，在基质有所降解的胶原纤维之间可见大量细胞碎片。何正权等[21]利用SD大鼠建立近中移动左上磨牙的模型，研究正畸牙移动过程中压力侧牙周组织缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)的变化趋势，结果表明，正畸装置加力1h后 HIF-1α表达即增加，1d后达最高峰。杜沿林[22]以上颌中切牙牙颈部磨沟辅以光固化树脂加强固位为支抗建立近中移动SD大鼠第一磨牙模型，研究正畸牙牙周组织改建过程中NF-κB信号通路的影响，结果表明，NF-κB信号通路在骨改建偶联机制的调控中可能具有核心作用。陈鹏等[23]以近中移动Wistar大鼠第一磨牙模型，研究TGFβ1在正畸牙移动过程中的作用，结果显示TGFβ1能产生明显成骨效应。崔金婕等[24]也是利用近中移动Wistar大鼠第一磨牙模型，探讨不同浓度的木通皂苷D(ASD)加速正畸牙移动的机制，结果表明，10mg/kg的ASD能快速移动正畸牙，其作用于PGE2类似。Kitaura H等[25]采用单纯正畸装置的模型，研究抑制牙根吸收的机制，发现c-Fms在抑制正畸过程中的牙根吸收方面发挥主要作用。刘红等[26]在SD大鼠口内建立近中移动第一磨牙模型，初步探讨正畸性牙根吸收机制，发现MMP-2、TIMP-2在牙周组织中的含量增加，正畸过程中发生牙根吸收的可能性也随之增加。Abbas等[27]使用超声骨刀行骨皮质切开后，能够减少手术后的骨质吸收。Sebaoun等[28]对骨皮质切开辅助正畸治疗的大鼠进行研究，结果表明，骨皮质切开术后可致暂时性骨质疏松，使牙齿移动效率增加。孙晓琳等[29]对大鼠行骨皮质切开术辅助正畸治疗，研究分析Ⅰ型胶原蛋白和基质金属蛋白酶(MMPs)的变化，观察到骨皮质切开后，Ⅰ型胶原和MMPs-1、MMPs-9表达水平增加，促进骨吸收和骨形成，加速正畸牙移动。

动物模型对正畸牙移动机制、并发症等进行深入探究，指导临床控制牙齿移动、避免副作用发生、缩短治疗时间、提高正畸术后稳定性等。利用大鼠作为实验对象，成本低廉，饲养要求低，实验操作易于实现。但与人类相比，牙齿结构、生理代谢状况等存在差异，所得出的结论并不一定全都适用于人类。矫治器安装后，由于大鼠喜欢咀嚼较硬食物，加之牙齿不断生长，最多观察两周便失去其固位作用。而矫治器的良好固位是动物实验顺利进行的前提，因此如何使矫治器长时间粘接于牙齿上是实验中值得讨论的问题。虽然目前骨皮质切开术辅助正畸矫治的实验中得出骨皮质切开术后正畸牙移动加速且副作用少的结论，但该方法仍需大量实验佐证[30]。

2 三维立体有限元模型建立

有限元法( Finite element method,FEM)，全称有限元模型数值分析方法，是利用数学近似的方法对真实物理现象(几何及载荷工况)进行模拟的一种分析方法。简单来说是将模型分割成数个小单元，在每个单元节点之间建立能反映相互关系的代数方程，经求解就可用有限个数值来逼近真实系统的无限个未知量。有限元概念是20世纪60年代由Clough教授首次提出，应用于航天航空领域；Thresher[31]和Fara[32]在1973年首次将有限元分析应用于口腔领域；Tanne等[33]在1983年将三维有限元法引入正畸领域。随后，国内外学者便开始广泛利用有限元分析法研究正畸过程中牙移动的应力分布[34-39]。目前，三维立体有限元模型分析计算精度高，适用范围广，成为广受欢迎的临床分析方法。

2.1 有限元模型建立的工具选择 有限元模型的建立首先要获取研究对象的扫描图像，使用的工具主要有MRI、螺旋CT和CBCT，其中首选CBCT，因为CBCT精度和分辨率均高于螺旋CT和MRI，能获取更准确的图像，而且其辐射剂量小，人们更易于接受[40]。经CBCT获取的图像并不能直接导入有限元软件中，需经三维重建。目前常用的医学三维重建软件有3D Doctor，Mimics，VGStudio Max，VTK等。有限元法中Mimics是首选软件。Mimics有良好的输入、输出接口，可以输入CBCT扫描数据进行重建，重建后的模型以通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)和RP(快速成型)格式输出至有限元软件。

目前主流的有限元分析软件是Ansys和Abaqus。Ansys的参数控制比Abaqus复杂，分析更具特异性，可以针对不同情况详细进行设定；Abaqus则更为智能，操作简便，省时省力。口腔医学领域的研究是错综复杂的，因此最常用的有限元软件还是Ansys。目前，我国已有100多所院校采用Ansys软件对其研究领域进行有限元分析。国产有限元软件，如FEPG，SciFEA，JiFEX，KMAS，FELAC等，也在紧赶世界顶尖技术的脚步，为国内的研究提供更好的平台。2017年1月31日，ANSYS公司发布了最新版本：Ansys 18.0，这一版本的优势在于它提高了模型的还原度。

2.2 模型建立 正畸领域中，只要可以经CBCT扫描获得图像的动物均可使用有限元模型分析法，目前主要用于模拟人类口腔状态和正畸临床操作。根据研究需要选择实验对象，将其经CBCT扫描后得到的DICOM文件导入三维重建软件Mimics中[41]，以图像灰度值的差异作为阈值重建颌骨及各个牙齿的3D模型。但Mimics中的阈值设定精确度有限，不能满足生理牙槽骨和牙体组织的要求，故将重建后的3D模型数据导入优化软件Geomagic中进行优化，便能呈现牙体和牙周组织的解剖形态。

重建优化后的数据只是模拟了牙体和牙周组织，正畸矫治器及临床操作的模拟需要有限元软件实现。将优化后的模型数据输出至有限元分析软件(Ansys)中进行装配，使正畸矫治器和口腔结构均被展示出来。有限元单元类型的选择和网格划分的数量决定了模型的精确程度，通常来说有限元单元类型越复杂，划分的网格数量越多，模型的还原度就越高，数值分析的误差也就越小；但是网格的数量越多，有限元计算的负担就越大。因此，牙齿、牙周膜、牙槽骨常规采用网格较大的四面体单元，弓丝和托槽之间涉及相互的接触和数据计算，通常采用六面体单元的小网格[40]。目前国内外所有研究中，涉及的材料均被假设为均质、各向同性的线弹性材料。依据临床情况与生物材料特性，模型被区分为牙体、牙周膜、牙槽骨、弓丝、隐形矫治器、托槽6种不同的部分，以表1中的力学参数分别赋值，牙周膜与牙体之间设为“柔性一刚性”接触，牙槽骨外周设为固定约束[41-44]。

表1模型中相关材料的生物力学参数

力学参数杨氏弹性模量(MPa)泊松比牙槽骨14000.00.30牙齿20700.00.30牙周膜68.90.45弓丝176000.00.30隐形矫治器816.00.30托槽206000.00.30

2.3 有限元模型的应用及优劣 目前，在口腔正畸领域，有限元分析法建模主要应用于以下研究：①正畸矫治器的矫治机理；②弓丝性能及作用机制；③支抗种植钉的相关力学分析等方面。仵健磊等[45]利用有限元分析法建立了新型SMPU弓丝模型，分析弓丝初始正畸力大小，所建立的模型仿真方程与Tobushi等[46]试验结果一致，并且得出结论：在不同错位方式下，上颌侧切牙和尖牙使用SMPU弓丝产生的正畸力值约为0.06～0.55N，比临床最佳正畸矫治力(0.97～1.47N)略小，适用于初期排齐阶段的施力。Shivani等[47]利用有限元模型分析法，分析了不锈钢和钛合金两种材料作为正畸支抗的强度、稳定性及压力分布，结果显示，两种材料的应力分布均无显著性差异，即不锈钢和钛合金都可作为良好的正畸支抗供临床使用。Liu等[48]也同样利用三维立体有限元模型分析法构建微螺旋种植钉作为正畸支抗的模型，证明微螺旋种植钉的直径是影响微螺旋种植钉力学效应的主要因素，骨应力和微螺旋种植钉的位移随微螺旋种植钉直径的增大而减小。张维奕等[49]建立了大鼠正畸牙近中移动的有限元分析模型，模拟骨皮质切开术，证明皮质骨切开后局部牙槽骨改建活跃，使正畸牙的移动加速。

有限元模型分析具有高效、精确、低成本的优点，已成为目前常用的应力分析方法之一。然而，该建模方法仍有待进一步提升。牙体、牙周组织等生物结构本身是各向异性、非均质的，理应不同部分赋予不同的材料特性，但是目前国内外的所有研究中，涉及的材料均被假设为均质、各向同性的线弹性材料，显然是与客观情况存在差异。因此，有限元法只是对口腔组织结构力学变化的一种趋势分析，并未达到精确定量分析的程度，其结果仍只是近似值，在临床应用时，仍需与临床实际相结合，综合考量分析。

3 展望

动物模型是最早的研究正畸相关机制的模型，为研究牙周膜改建、药物对正畸牙的作用及正畸过程中的副作用等提供实验基础。依靠动物模型，学者们掌握了正畸牙移动的理论基础，将理论应用于实践，并在实践中加以总结，使正畸技术得以发展。有限元模型分析通过重建颌面部组织结构并模拟正畸过程中的力学改变，直观看到正畸牙移动的三维空间结构，预知矫治效果。两种方法在不同的领域发挥各自的作用，以后也将在各自领域中为科学研究作出更多贡献。