不同方法处理钛种植体对骨整合的影响

2019-12-11崔晓明陈良建马新扬

山西医科大学学报 2019年11期

崔晓明,郑遥,陈良建,马新扬

(1西安医学院口腔修复学教研室,西安 710021;2北京世纪坛医院口腔科;3中南大学湘雅三医院口腔科;*通讯作者,E-mail:70646809@qq.com)

骨整合的形成是种植义齿成功与否的关键,即在种植体-骨界面形成良好的无纤维结缔组织的骨性结合。种植体的表面形貌是影响骨整合的重要因素,粗糙多孔的表面更有利于骨整合的形成[1]。种植体的表面处理能够增加表面粗糙度和亲水性,缩短种植周期[2]。种植体的表面处理方法有很多种,喷砂酸蚀是研究最多也是最成熟的一种。现在应用于临床的瑞士Straumman种植系统(SLA/SLActive)、德国Ankylos系统、美国3i牙种植体系统均采用喷砂酸蚀的方法。这种方法有效地实现了骨整合,但也有不足:孔隙只存在于材料表面,且孔径大小及分布不可控,各孔内部互不相通;喷砂后表面不能达到真正的表面净化,可能存在不利于骨结合的喷砂颗粒。本研究采用喷砂酸蚀,粉末注射成型技术加酸蚀两种方法制备并处理钛种植体。课题组前期已经对两组种植体进行了体外细胞培养试验,结果表明粉末注射成型法制备的多孔钛种植体更有利于成骨细胞的增殖与黏附[3]。在此基础上,课题组继续深入比较两组材料在动物体内对骨整合的影响,完善相关研究,为探索新型的种植体提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料的分组

将试验所用种植体分为喷砂组和粉末注射成型组,均为直径8 mm,厚3 mm的圆形钛片。

1.2 材料的制备

喷砂组:选择直径8 mm,厚3 mm的圆形致密钛,以320目、500目、800目水砂纸逐级打磨。丙酮、无水乙醇超声清洗20 min,蒸馏水清洗3遍干燥;用0.45 MPa气压下的200 μm Al2O3砂粒对实验纯钛种植体喷射30 s,喷砂头与材料表面保持垂直50 mm的距离,均匀喷射材料所有表面。

粉末注射成型组:粉末原料由HDH Ti(<77 μm),TiH2(<65 μm),NaCl(<290 μm)组成,均呈不规则形状。将其与黏接剂(主要成分为石蜡、高密度聚乙烯和聚乙醇等)混合制粒,采用粉末注射成型技术制备生坯,经脱盐脱脂,在真空度为10-3Pa经1 100 ℃烧结,制备孔隙度分别为60%,直径为8 mm、厚3 mm圆形钛片。

将两组所有种植体用牙科打磨机从中间分开,形成半圆状,以便于植入动物股骨内。

1.3 材料的表面酸蚀

选择96%硫酸和36%盐酸1∶1混合液,将所有材料置于其中并在60 ℃水浴摇床处理30 min,去离子水反复清洗,干燥消毒。

1.4 种植体的植入

选择健康雄性成年犬9条,体质量9-12 kg/条。随机分为4周、8周、12周三组,每组3只。分别于第1,4,8周进行种植体植入手术,12周后一并处死动物,制作标本,即植入周期分别为12周、8周、4周。严格按照外科的无菌操作方法,按30 mg/kg肌注3%戊巴比妥钠全身麻醉,将犬固定于手术台上,络合碘常规消毒铺巾。在股骨内侧切开皮肤,皮下组织,沿肌间隙钝性分离达股骨,切开骨膜,暴露股骨皮质,切口长约10 cm。用牙种植机沿股骨纵向制备2个4 mm×3 mm×6 mm的骨缺损,间距为2 mm,其间配合大量生理盐水冲洗植入种植体,中枢端为喷砂组,肢端为粉末注射成型组,对侧股骨相反。9只动物,1周、4周、8周每个时间点各3只植入两组各6个。缝合骨膜,分层缝合伤口。术后肌注青霉素,伤口愈合良好,无红肿、炎症、感染,10 d后拆线。

1.5 标本的处理

1.5.1 X线标本动物饲养至第12周处死动物,分离取出股骨,去净种植体周围软组织,进行X线检查。

1.5.2 制作硬组织切片将上述经X线检测后的大体标本制作成1 cm厚的骨组织块,每一组织块中包含1个种植体且位于中间。用硬组织切磨系统制作不脱钙整体切磨片,行Goldner’s三色法染色。

2 结果

2.1 标本制备

扫描电镜显示喷砂组材料表面孔隙较小,形状比较规则,孔径分布在1-30 μm;粉末注射成型组孔隙形态不规则,大小不一,孔径分布在1-400 μm,部分孔隙在材料内部形成连通孔结构(见图1)。

2.2 X线观察

两组材料植入4周时与宿主骨之间存在低密度间隙,8周时间隙减小,12周后间隙消失(见图2)。提示两组材料均与骨形成良好的结合,在X线上无明显差别。

2.3 硬组织切片中骨组织形成情况

光镜下观察成骨细胞呈桔黄色,类骨质为紫红色,新矿化骨为蓝色,成熟骨为绿色。

如图3所示,4周后两组材料与宿主骨之间存在较厚的纤维结缔组织,其间有大量的成骨细胞,宿主骨边缘有类骨质形成。粉末注射成型组类骨质层相对较厚,内部孔隙中同样有成骨细胞、类骨质存在。

A.喷砂组 B.粉末注射成型组

如图4所示,8周时喷砂组植入体与宿主骨之间的纤维结缔组织变薄,其间的成骨细胞增多,宿主骨一侧的类骨质明显增厚。粉末注射成型组纤维结缔组织已有部分转化为类骨质,其间存在大量成骨细胞,成骨活动活跃。材料内部的孔隙里被成骨细胞充满,部分孔隙内有类骨质存在,部分孔隙已经开始有矿化骨出现。这说明8周时两组材料的成骨活动已经有了明显的对比,粉末注射成型组成骨更加活跃。

图2 12周时两组材料的X线片影像

A.喷砂组 B.粉末注射成型组

如图5所示,12周时两组材料与宿主骨之间都没有纤维结缔组织存在,已经与宿主骨形成骨性结合。喷砂组新矿化骨长入材料表面的微小孔隙内,形成机械嵌合,新形成的宿主骨与材料界面有血管组织生成,宿主骨内仍存在些许类骨质,矿化程度不高。粉末注射成型组宿主骨与材料形成牢固的机械嵌合,宿主骨表面有大量的血管组织生成,骨质矿化程度高,形成了成熟的骨组织,材料内部的孔隙内同样被高度矿化的骨组织填满,其间有血管穿行,说明在材料内部的连通孔内有成熟的骨组织存在。

A.喷砂组 B.粉末注射成型组

2.4 定量组织学骨长入深度测定

4周时,两组材料的骨组织尚未生成,骨长入深度为0;8周时,两组材料的骨长入深度有较大的差异;12周时,骨长入深度依旧差距较大,差异有统计学意义(见表1)。

表1 不同时期各组种植体骨长入深度比较(像素值)

Table 1 Comparison of bone growth depth between two groups at different periods (pixel value)

时间喷砂组粉末注射成型组tP 4周0 0-- 8周45.615±11.157 83.263±12.51576.9345<0.05 12周86.513±8.905181.711±9.043173.2315<0.05

3 讨论

种植义齿作为牙列缺损和缺失的主要修复方式被越来越多的患者所接受。钛及其合金因为优良的物理性能和生物相容性一直是种植体的首选材料。钛种植体植入牙槽骨后,理想的状态是形成完全的骨整合,但这个过程存在如下问题:牙槽骨与种植体之间的整合并不完全,大约在25%-85%[4];种植体植入后,需要3-6个月的不承力愈合期[5];种植体与骨界面处于不稳定的动态平衡状态[6]。因此,几十年来口腔医学领域对种植体的研究从未间断。多年的研究表明:粗糙多孔的表面比光滑的表面更有利于种植体与骨的结合[7,8]。种植体的表面粗化方法有很多种,比如喷砂酸蚀[9,10]、激光[11,12]、等离子喷涂[13]、微弧氧化法等,其中研究最多也是最成熟的就是喷砂酸蚀。大颗粒喷砂在种植体的表面形成10-30 μm的孔隙,酸蚀形成大量的1-3 μm的微孔,这种二级粗糙结构增加了种植体的表面积;酸蚀能够改善种植体表面的亲水性。因此,喷砂酸蚀后的种植体具有很好的骨形成能力,有利于骨整合。但这种方法也存在固有的缺陷:一是喷砂操作影响因素过多,造成孔径大小及分布不可控;二是形成的孔隙只存在于材料表面,且孔隙之间互不相通;三是喷砂后表面不能达到真正的表面净化,可能存在不利于骨结合的喷砂颗粒。本研究采用喷砂酸蚀,粉末注射成型技术加酸蚀两种方法处理制备多孔钛种植体,比较两组材料在动物体内骨整合的形成情况,为探索新种植体表面处理方法提供依据。

通过比较,两组植入体的X线表现在各个时间点均无明显区别,这说明两组材料在植入12周时都能形成骨性结合。硬组织切片显示:4周时两组差别不明显;8周时粉末注射成型组的成骨活动较喷砂组活跃;12周时粉末注射成型组骨生成的量和质都较喷砂组具有明显的优势,内部连通孔内同样有成熟的骨组织存在。这一结果与下列因素有关:粉末注射成型组的孔径组成和喷砂组不同,喷砂组孔径分布在1-30 μm,粉末注射成型组在1-400 μm,大孔径孔隙比较多。有研究表明,成骨细胞直径大约30 μm,在大于自身直径的孔隙内能更好地实现内向生长[14]。大孔径的孔隙能够为成骨细胞的活动提供更大的内部空间。粉末注射成型组材料内部具有连通孔结构,这种结构为营养物质的交换以及成骨细胞代谢产物的排出提供了场所。骨长入深度结果同样是粉末注射成型组大于喷砂组,这与粉末注射成型组的孔径较大且具有连通孔结构有关。这一结果与Otsukia等[15]的研究结果一致。