研究背景:牙种植技术是口腔医学发展的一个里程碑,种植义齿修复因具有传统修复无法比拟的良好功能和美学效果,以及较高的远期成功率,种植体修复牙列缺损已被口腔医学界公认为缺牙修复的首选方式,种植牙也因此被人们称为“人类的第三副牙齿”,并且使越来越多的患者从中受益。影响牙种植成功的因素很多,种植体行使功能依赖于良好初期稳定性和远期骨结合。初期稳定和远期种植体骨结合不仅受种植手术、种植体材料、种植部位等因素影响,种植体的外形设计以及全身及颌骨的骨质骨量也起着重要的作用。大量的研究表明,颌骨骨质和骨量的降低会导致种植体骨愈合时间延长,甚至导致种植失败。骨质疏松症(OP,osteoporosis)是以骨组织的显微结构受损,骨矿成分和骨基质等比例不断减少、骨皮质变薄、骨小梁数目减少、骨脆性增加和骨折危险度升高的一种全身骨代谢障碍性疾病,而这一人群恰恰多为老年患者并且伴随着牙列缺损,需要义齿修复,而种植牙不外乎又是较好的选择,但是如何克服骨质疏松对老年患者种植成功率的不利影响成为一个受到关注的问题。OP造成的颌骨骨质和骨量缺陷会减弱骨组织对种植体的支持,延长种植体愈合时间,从而影响种植体的初期稳定和远期的骨结合,容易造成种植体松动、脱落。提高种植的初期稳定和远期固位是保证牙种植成功的关键,这在骨质不良、骨量降低情况下更是不可缺少的。为了提高种植体的初期和远期固位效果,学者们对种植体的进行了各种优化的尝试,这些方法显著提高了正常骨质条件下的种植体初期和远期固位,提高了种植体骨结合率,缩短了治疗时间。然而,由于骨质疏松的特殊性,较差的颌骨骨质和骨量对种植体的骨结合仍存在不利良影响,因而,探索有效的途径纠正OP对种植体骨结合的不利影响,对临床种植有着重要的意义。研究目的本课题拟设计一种膨胀式牙种植体(Expandable implant, EI),并探索其在骨质疏松条件下的固位效果。1.膨胀式牙种植体的外形及内部结构的设计:通过设计并制作一种根端可以膨开的牙种植体,并在计算机软件下建立模型,对种植体的外形尺寸及膨胀比例进行优化选择。2.根据优化结果进行加工制作该膨胀式种植体,并且进行体外试验以及种植体力学性能测试,评估该种植体应用的力学强度的可行性。3.骨质疏松动物模型的建立:采用去势法建立绵羊绝经后骨质疏松动物模型,测量建模前后的骨密度,以确保建模成功,观察颌骨骨质疏松是否与全身骨同时发生,并为下一步实验做好准备。4.膨胀式种植体固位的动物实验:通过与对照组种植体植入骨质疏松动物颌骨后的比较,评价膨胀式种植体的固位效果。研究内容和方法:一、EI的外形及结构设计,自适应EI与下颌骨骨块组装的三维有限元模型的建立参照目前文献报道的膨胀式种植体及骨科常用的膨胀式椎弓钉,设计膨胀式牙种植体,力求结构简单,膨胀效果良好;利用计算机基于Pro/E软件建模及其自适应装配功能,配合Pro/E与Ansys Workbench有限元分析软件的参数双向无缝传递功能,进行建模,并模拟力学加载进行模型的准确性检验。二、EI膨胀角度、膨开比例的生物力学优化分析设定EI膨开的角度(Expansion angle,A)和膨开的长度比例(Expansion length ratio,R)为设计变量,A和R变化范围分别0°到4°和1/6到5/6。在Anasys workbench软件下分别模拟100N垂直力和30N颊舌侧向力下进行加载,在A和R为变量的的情况下,以皮质骨和松质骨的最大主应力变化及种植体—基台复合体的最大位移为检测指标,以其得到这些指标最小时的A和R组合为目的,从而为EI的膨开角度和膨开长度比例选择最佳优化参数。三、EI加工制作、植入离体颌骨标本试验以及种植体力学性能检测根据上述实验结果,选择A为2°,R为3/6这一最佳的膨开角度和膨胀长度比例组合,制作长度为13mm,直径4.3mm的根端带缝隙可膨胀的螺纹柱状纯钛种植体,利用一内部膨胀螺杆对种植体内部中空结构进行加压膨胀,以达到膨胀效果。将该种植体膨胀后在万能材料测试机上进行周期性疲劳实验和三点弯曲实验,检验其力学强度;在离体老龄绵羊颌骨标本的缺牙区进行体外植入试验,检验其植入、植入后膨胀,以及是否可以取出,旋出扭矩等实际应用的可行性。四、骨质疏松动物模型的建立将12只成年雌性绵羊,体重约50kg,羊龄2.5岁,进行去势(双侧卵巢切除,ovarectomimy, OVX),建立绝经后动物模型,去势后采用低钙饲料喂养,并注射激素(甲泼尼龙琥珀酸钠,0.45mg/kg/d,注射9个月)。所有动物术前均采用双能量X射线吸收测定术(DXA/DEXA, Dual Energy X-ray Absorptiometry)测定腰椎骨及下颌骨密度(BMD,bone mineral density),12个月再次测量骨密度;同时结合显微计算机断层成像(Micro-CT,computer tomography)技术分析松质骨骨小梁三维结构改变。最后按照骨质疏松定义的标准,评价建模是否成功。五、EI植入骨质疏松动物颌骨的实验研究将24枚膨胀式种植体及24枚常规种植体(对照)同时植入骨质疏松绵羊双侧下颌角,平均分为两组,术后3个月、6个月分别取材,通过术后X线检查、三维CT重建,种植体拔出实验,种植体稳定性测量,组织切片观察,Micro-CT分析等方法,观察种植体周围成骨情况,评价种植体固位效果,比较EI的优缺点。研究结果1.通过对EI的外形及内部结构的比较,初步设计出一种依靠内芯旋入的方法使根端可以膨开的牙种植体,该种植体通过内部螺芯对底端带缝隙的种植体体部进行加压而使之膨胀。并在计算机软件下建立了自适应的膨胀式种植体及骨质疏松骨块的三维有限元模型。2.用Anasys workbench软件的CAD/CAE功能结合蒙特卡洛抽样方法对EI的外形尺寸及膨胀比例进行优化,得出最佳优化参数的范围:膨胀角度(Angle)介于1.5°到2.5°之间、膨胀长度比例(Length ratio)介于2/6到3/6时,EI最稳定,颌骨最大综合应力最小。3.根据优化结果制作加工出EI实体,选择了膨胀角度(Angle)为2°、膨胀长度比例(Length ratio)为3/6的一组参数。并进行了体外力学测试,结果显示,在周期性疲劳实验200-250 N/50万次加载下,EI未出现疲劳;三点弯曲实验,EI在加载力1KN以下时未出现弯曲、断裂。离体标本实验表明EI可以顺利植入颌骨标本并达到膨胀的效果,EI植入后进行旋出试验显示出较大的扭矩。4.绵羊在行卵巢切除术12月后,用双能X线和Micro-CT测量同时验证了绵羊骨质疏松模型建模成功,去势前后椎骨骨密度(g/m3)分别为1.066±0.90和0.752±0.05,颌骨为0.846±0.82和0.524±0.09,统计学分析表明P值均<0.01,证明建模成功;并且Micro-CT阶段性测量显示出骨质疏松模型建立过程中不同时期股骨颈部的骨小梁密度变化,对骨质疏松模型给予进一步验证。5.动物实验结果:种植体稳定系数(ISQ),EI和对照组比较在3个月时分别为63.7±4.5和55.2±5.8,在6个月时为83.5±6.3和78.3±7.6,EI组均高于对照组;拔出试验(pull-out test)显示,EI与对照组在3个月时的最大拔出力分别为490.6±72.7N和394.5±54.5N,6个月时分别为587.6±65.3N和448.5±78.6N,EI与对照组相比均有统计学意义;组织学切片染色显示EI与对照组在3个月后的骨接触率(BIC,%),分别为64.57±4.88和50.46±5.32,6个月时分别为68.31±5.79和56.85±5.04,EI组的BIC有统计学上的增高;Micro-CT结果显示,EI组种植体周围骨小梁数目Tb.N (1/mm),骨组织比例Bv/Tv (%)均高于对照组,骨小梁分离度Tb.Sp (mm)低于对照组,说明了EI组新生骨小梁优于对照组。结论1.该膨胀式牙种植体设计结构简单,易于操作;应用计算机软件进行辅助设计及EI主要变量参数的优化选择,对于评价膨胀式种植体的力学参数和选择种植体的外形尺寸起到重要的作用。2.该设计、制作的膨胀式牙种植体,可以经受一定程度的疲劳和压力测试,在一定程度上有可靠的力学强度。3.采用去势+激素注射法建立的骨质疏松动物模型,全身不同部位的骨密度均有明显降低,符合骨质疏松标准,大型动物建模结果可靠度高、对于实验研究应用方便。4.膨胀式牙种植体植入骨质疏松动物颌骨后,表现出较好的力学性能、更高的骨接触率,以及种植体周围更有利的成骨现象。EI希望成为一种骨质疏松状态下良好的种植体外形改进的方法。