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低强度脉冲超声促进牵张成骨新骨成熟及种植体骨结合的研究

丁宇翔  
【摘要】: 肿瘤、创伤等原因导致颌骨缺损的矫治不仅要求恢复外形,更重要的是恢复咀嚼功能,牵张成骨是新兴的、成熟的、有效的矫治颅颌面畸形及颌骨缺损的外科技术,而牙种植技术则可以有效的恢复咀嚼功能。牵张成骨技术要求骨段牵张结束后藉牵张器固定6~8周,以待延长段的新骨骨化,再拆除牵张器。长时间的固定期给患者的生活、学习、工作带来极大不便,且牵张成骨术后并发症有钉道感染、骨折、骨化不良及骨不连等。因此,众多学者均在寻求可以有效的促进牵张成骨新生骨痂生成、骨化的方法,以早日拆除牵张器,缩短治疗时间,增强新骨机械性能。而种植体植入颌骨后,必须形成牢固的骨结合后才能负载咀嚼力,一般至少2~3月。低强度脉冲超声(low-intensitypulsedultrasound,LIPUS)是近年来公认的能促进骨折愈合的一种物理治疗方法,大量的动物和临床试验均证明超声能加快并加强新鲜骨折的愈合。超声是一种较理想的、非创伤性的促进新生骨痂生成的物理刺激因素。本课题通过建立犬双侧下颌牵张成骨和兔股骨和胫骨骨骺端螺旋状种植体植入动物模型,观察低强度脉冲超声能否促进牵张成骨新骨成熟以及种植体的骨结合。采用99mTc-MDP放射性核素骨扫描观察两侧牵张新骨区血供和骨组织代谢变化,X线平片观察新骨成熟度、双能X线骨密度监测、三维CT扫描重建测量新骨体积和表面积,组织学观察新骨组织形成特点,材料力学检测观察新骨强度的变化;通过组织学观察种植体金属-骨界面愈合情况,种植体拔出实验检测种植体固位强度。 实验一:低强度脉冲超声促进牵张成骨新骨成熟动物模型建立。成年杂种犬7只,在双侧下颌骨第1、2前磨牙间行骨切开术,植入内置式牵张器,间歇期为7天,牵引速率为每天2次,0.5mm/次,共20天。随机选一侧为实验侧,另一侧为对照,在牵张过程中实验侧每天定时给予低强度(40mW/cm~2)脉冲超声波刺激,每次10分钟,每天两次,共20天。牵张结束后的0、1、2、4、6、8、12周各处死动物一只,切取双侧下颌骨标本。 实验二:99mTc-MDP核素颌骨扫描。动物处死前静脉注射99mTc-MDP740毫居,注射药物4小时后SPECT扫描采集断层显像,重建三维立体影像。用计算机感兴趣区(ROI)技术分别在实验侧和对照侧对应部位选择兴趣区,并求出实验侧骨/对照侧骨的放射性计数比值,作为半定量分析指标。ROI检查结果:牵张完成早期实验侧较对照侧放射性计数有显著性差异(P0.05),表明实验侧与对照侧相比骨代谢水平在相同时间内有差别。实验侧早期有较强的成骨现象和再血管化迹象,实验侧成骨活跃,与对照侧相比骨的代谢水平要高,显示了在骨生成方面优于对照侧。牵张完成中后期实验侧新骨处于骨改建期,而对照侧处于骨加速形成期,此时对照侧骨代谢程度高,因而核素浓聚要高于实验侧。实验侧与对照侧在牵张完成4周内骨代谢活跃,随着时间推移,牵张完成6~8周骨代谢趋于稳定,至12周时骨代谢已降低至正常水平。实验证实:超声机械刺激可影响成骨细胞的代谢和增加局部血流量来促进早期牵张新骨的成熟。 实验三:X线平片、三维CT、骨密度和强度检测:拍摄常规X线平片观察双侧牵张新骨的成熟情况。双侧下颌骨标本前部作三维CT扫描并重建,将采集的数据录入图像分析软件计算出牵张新骨区的体积和表面积,进行配对t检验;双能X线骨密度仪测量双侧牵张新骨区对称感兴趣区(RIO)骨密度值,进行配对t检验。一半标本取材后-20℃生理盐水保存,解冻后,室温晾干48小时。用金刚砂磨片切割厚度为3mm的骨片,使用电脑控制的材料力学分析仪进行压缩实验,骨片置于载物台上,连接传感器的压缩杆以1mm/min的速度压迫骨片直至变形;计算机自动记录压力—挠度曲线,得出骨的生物材料力学参数:最大负荷和压缩距离,进行配对t检验。 X线平片显示相同时间内超声照射侧新生骨的生长和成熟早于对照侧。骨密度测量结果显示新骨骨密度随着固定时间延长而增强,相同时间点实验侧与对照侧相比骨密度值有显著性差异(P0.05)。新骨体积和表面积测量结果显示实验侧与对照侧相比体积和表面积无显著性差异(P0.05)。新骨强度材料力学检测结果显示实验侧骨最大负荷和压缩距离均高于对照侧(P0.05)。实验结果表明相同时间内超声照射侧新生骨的生长和成熟快于对照侧,验证了LIPUS可促进牵张新骨的成熟。实验组的骨密度和强度高于对照侧,但三维CT重建显示超声刺激并不能增加骨量。 实验四:牵张新骨组织学观察:一半标本甲醛固定48h,20%EDTA脱钙四周,脱水,石蜡包埋,制作石蜡切片,行常规HE及Masson’s三色法染色,光镜观察。结果显示早期实验侧牵张间隙骨小梁数目和直径大于对照侧,实验侧可见散在的软骨内成骨,后期新骨成熟早于对照侧。表明低强度超声可能通过刺激软骨生成而促进新骨生成。 实验五:低强度脉冲超声促进种植体骨结合的作用观察。成年新西兰大白兔10只,双侧膝关节股骨和胫骨骨骺端植入直径2mm螺旋状纯钛种植体各一枚,共40枚。随机选一侧为实验侧,另一侧为对照,实验侧每天给予低强度(40mW/cm2)脉冲超声波刺激,每次10分钟,每天两次,共20天。结束后的0、2、4、6、8周各处死动物两只,切取含种植体骨标本,拍摄X线牙片,一半标本进行种植体拔出实验。标本取材后-20℃生理盐水保存,解冻后,擦干。使用电脑控制的材料力学分析仪进行种植体拔出实验,得出力学参数:最大负荷和拔出位移,进行配对t检验。X线显示实验组和对照组种植体周围没有放射透视影,形成良好的骨结合。种植体拔出实验结果实验组最大负荷和拔出位移负荷均大于对照侧(P0.05)。表明低强度脉冲超声可以促进种植体骨愈合,增强骨结合。 实验六:组织学观察低强度脉冲超声促进种植体骨结合。一半标本酒精脱水,树脂包埋,制作不脱钙组织切片,Goldner’s三色染色。结果显示实验组骨结合早于对照侧,骨成熟早于对照侧。表明低强度脉冲超声可以促进种植体界面骨结合。 综上所述,本实验结果显示低强度脉冲超声可以促进牵张新骨区早期血供和骨代谢水平,实验侧牵张新骨成熟早于对照侧,新骨密度和强度增加,但骨量无显著变化。超声可能通过刺激软骨内成骨而促进新骨成熟。同时,显示低强度脉冲超声可以促进种植体的早期骨结合,增强种植体的固位。


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