3D打印和CAD/CAM氧化鋯種植體骨結(jié)合性能的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)
來源：本站 時(shí)間：2023-02-21 00:00:00
鈦種植體雖然因良好的“骨結(jié)合”［1］性能被廣泛應(yīng)用［2－3］，但也會(huì)因金屬過敏或美學(xué)問題而被限制應(yīng)用［4］。隨著數(shù)字化技術(shù)與修復(fù)技術(shù)緊密結(jié)合，氧化鋯種植修復(fù)有了技術(shù)突破［5－6］。本研究已建立氧化鋯種植體的三維模型［7］，并制造3D打印氧化鋯種植體和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(computer aided design ＆ computer assomated manufacture，CAD/CAM) 氧化鋯種植體。
為了氧化鋯種植體能夠達(dá)到與BEGO鈦種植體TiPurePlus 相當(dāng)?shù)谋砻娲植诙?粗糙度Ra= 1～2μm)［8－9］，預(yù)先對(duì)其表面進(jìn)行噴砂和加熱酸蝕處理。采用硬組織切片技術(shù)和反向轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)，比較兩組氧化鋯種植體與某公司純鈦種植體的成功率、骨結(jié)合率、種植體周骨密度和反向轉(zhuǎn)矩值，評(píng)價(jià)氧化鋯種植體骨結(jié)合性能［10］。
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
1.1.1 主要儀器Exakt510 脫水儀、Exakt520 光固化包埋機(jī)、Exakt 300CP 切片機(jī)、Exakt 400CS 磨片機(jī)(EXAKT公司，德國)，光學(xué)顯微鏡(Olympus公司，日本) 。
1.1.2 手術(shù)器械NSK種植機(jī)(NSK公司，日本)，種植器械盒(Thommen Medical AG，瑞士) ，手術(shù)刀柄，刀片，持針器骨膜剝離器，血管鉗，組織剪，1號(hào)絲線，巾鉗，鋪巾。
1.1.3 實(shí)驗(yàn)藥物速眠新(圣達(dá)動(dòng)物藥品有限公司，中國)，3%戊巴比妥鈉(科豐化學(xué)試劑有限公司，中國) ，注射用青霉素鈉(華北制藥股份有限公司，中國) ，多聚甲醛溶液、亞甲基藍(lán)、酸性品紅、高錳酸鉀、苦味酸、磷酸氫二鈉(豪普斯生物技術(shù)有限公司，中國) 。
1.1.4 種植體根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆譃?組。
- 實(shí)驗(yàn)組1: 經(jīng)過表面處理的3D打印氧化鋯種植體20枚(昆山博力邁三維打印科技有限公司) (圖1A) ;
- 實(shí)驗(yàn)組2: 經(jīng)過表面處理的CAD/CAM 氧化鋯種植體20枚(杭州口腔醫(yī)院)(圖1B) ;
- 實(shí)驗(yàn)組3: 某知名公司提供純鈦超親水種植體20枚(上海宇井貿(mào)易有限公司)。
所有種植體直徑3.5mm，長(zhǎng)度8mm，穿齦2mm，基臺(tái)高度4mm。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 兩組氧化鋯種植體植入前表面處理3D打印氧化鋯種植體和CAD/CAM氧化鋯種植體植入前采用顆粒尺寸為250μm 的Al2O3粒子，噴砂力度0.8MPa，距離18mm，垂直噴砂4個(gè)循環(huán)，40%氫氟酸60℃酸蝕60min，蒸餾水超聲震蕩干燥后采用掃描電鏡對(duì)3D打印氧化鋯種植體和CAD/CAM氧化鋯種植體表面形貌進(jìn)行顯微觀察。
1.2.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及模型制作實(shí)驗(yàn)動(dòng)物成年雄性健康的Beagle犬共6只，15個(gè)月齡，質(zhì)量為16～17kg。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用許可證號(hào): SYXK(浙)2018-0012。使用動(dòng)物質(zhì)量合格證明編號(hào): 201807863。動(dòng)物種植體植入手術(shù)及飼養(yǎng)均在浙江中醫(yī)藥大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行，所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在手術(shù)前均在籠子中隔離飼養(yǎng)1周。
將60枚植體編號(hào)1～60號(hào)，按隨機(jī)分配的原則(隨機(jī)數(shù)字表)植入6只Beagle犬的脛骨中，每只Beagle犬每側(cè)脛骨植入5枚種植體。全麻前準(zhǔn)備:術(shù)前禁食12h；術(shù)前0.5h肌注青霉素鈉80萬U以預(yù)防感染。種植手術(shù)：氣管插管下，速眠新(0.04～0.08mg/kg) 對(duì)Beagle犬進(jìn)行后腿肌肉注射。全麻起效后，常規(guī)消毒鋪巾，后腿阿替卡因1.7mL浸潤(rùn)麻醉，切開、翻瓣、暴露脛骨外側(cè)，逐級(jí)預(yù)備種植窩，植入種植體，安放愈合帽。對(duì)位縫合創(chuàng)口，種植術(shù)后即刻拍攝X線片，觀察植入位置、角度(圖2)。術(shù)后常規(guī)抗感染處理。
1.2.3 標(biāo)本處理在8周時(shí)，取3組種植體各10枚進(jìn)行反向扭矩測(cè)試，將扭力扳手與種植體垂直相接，緩慢擰出種植體，扭力扳手刻度顯示將種植體擰松的扭力值即為旋出扭力峰值。隨后處死Beagle犬，將帶有種植體的脛骨整段鋸下(圖3)，生理鹽水反復(fù)沖洗，固定后制備不脫鈣硬組織切片。
1.2.4 不脫鈣種植體骨切片的制備和染色用4%的甲醛固定浸泡，4℃冰箱保存72h，然后用70%乙醇溶液浸泡。修整帶種植體的標(biāo)本，標(biāo)本大小約5mm×15mm×10mm，在Exakt510 脫水儀中使用70%～100%的乙醇溶液梯度脫水，在Exakt520光固化包埋機(jī)中進(jìn)行樹脂浸透包埋和聚合(圖4)。完成聚合反應(yīng)后，準(zhǔn)備A、B 兩張載玻片，用Technovit 4000粘接劑把標(biāo)本包埋塊粘合于載玻片A上，將載玻片A吸附于切片機(jī)夾具上，修整組織塊，使用Exakt 400CS 磨片機(jī)對(duì)標(biāo)本表面進(jìn)行拋光，然后用Technovit-7210VLC膠水將載玻片B粘合于標(biāo)本的拋光面?zhèn)?，形成兩?cè)載玻片、中間組織塊的雙夾結(jié)構(gòu)。將載玻片A吸附在Exakt 300 CP a切片機(jī)夾具上，將切割厚度設(shè)定為150～200μm，切下載玻片B側(cè)約150μm厚的切片，使用SiC和Al2O3砂紙自動(dòng)磨片，設(shè)置厚度為30μm，再用細(xì)砂紙進(jìn)行切片表面拋光，最終制作出厚度約為30μm的光滑種植體骨磨片。將切磨好的骨切片使用雙蒸水進(jìn)行超聲清洗10min，自然干燥后用亞甲基藍(lán)－酸性品紅色，樹脂封片。
1.2.5 圖像分析/光學(xué)觀察及骨接觸率測(cè)定在光學(xué)顯微鏡下觀察并采集圖像，結(jié)合圖像處理軟件(Image-Pro Plus6.0)進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)骨接觸率(bone-to-implant contact，BIC)和種植體周圍骨密度(bone density，BD)公式計(jì)算，得到兩組氧化鋯種植體和某知名公司純鈦組種植體的不含骨髓腔骨結(jié)合率、含骨髓腔骨結(jié)合率、平均骨接觸率和種植體周圍骨密度。骨接觸率(不含骨髓腔)=骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)與種植體螺紋實(shí)際接觸的長(zhǎng)度之和/種植體螺紋植入骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)的長(zhǎng)度×100%；骨接觸率(含骨髓腔)=骨髓腔與種植體螺紋實(shí)際接觸的長(zhǎng)度之和/種植體螺紋植入骨髓腔內(nèi)的長(zhǎng)度×100%；平均骨接觸率=骨與種植體實(shí)際接觸長(zhǎng)度之和/種植體螺紋植入骨組織內(nèi)的長(zhǎng)度×100%；種植體周圍骨密度(BD)=骨結(jié)合區(qū)域/整個(gè)結(jié)合區(qū)域×100%［11］，測(cè)量方法為在螺紋端上放置一條切線，計(jì)算該切線與槽內(nèi)種植體輪廓之間的像素。
1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理
采用SPSS17.0軟件包對(duì)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理后的數(shù)據(jù)以(X的平均值±s)表示。數(shù)據(jù)采用單因素方差分析(ANOVA)進(jìn)行比較，P＜0.05表示差異有顯著性。
2.1 兩組氧化鋯種植體表面處理后掃描電鏡觀察結(jié)果見圖5～6，可見經(jīng)噴砂+酸蝕后的氧化鋯表面形成均勻的粗化效果。3D打印組表面大孔徑12～17μm，小孔徑1.1～2.6μm。經(jīng)噴砂+酸蝕后的CAD/CAM組表面大孔徑18～21μm，小孔徑1.0～2.6μm。
2.2 影像學(xué)觀察結(jié)果
術(shù)后離體的Beagle犬脛骨經(jīng)便攜式X線機(jī)拍照，得到種植體植入的骨界面愈合情況(圖7) 。種植體和周圍骨組織嵌合緊密無間隙存在，螺紋均位于骨平面以下，光滑面均位于脛骨骨皮質(zhì)外，植體植入方向與骨面垂直，植體之間的間距在2～3 mm，植體周圍未見異常透射影像。三組種植體的成功率均為100%。
2.3 反向轉(zhuǎn)矩值統(tǒng)計(jì)
3D打印氧化鋯種植體組及CAD/CAM氧化鋯種植體組的反向轉(zhuǎn)矩值均大于35N·m；鈦種植體組中2顆為20～35N·m，8顆大于35N·m。
2.4 亞甲基藍(lán)－酸性品紅染色、骨接觸率測(cè)定(圖8)為種植體植入8周后，3D打印氧化鋯種植體、CAD/CAM氧化鋯種植體和純鈦種植體的亞甲基藍(lán)酸性品紅染色圖。亞甲基藍(lán)酸性品紅染色可清晰顯示新舊骨組織邊界和成骨細(xì)胞，便于區(qū)分軟硬組織。圖中可看到紫紅色的是骨小梁，藍(lán)色的是間質(zhì)。新生的編織骨較疏松，染色較深紫色；密質(zhì)骨為淺紫色，骨小梁間的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為淺藍(lán)色，纖維軟組織呈深藍(lán)色，藍(lán)色為類骨質(zhì)。另外，位于螺紋表面可以看到較粗的新生骨小梁。3組種植體不含骨髓腔骨結(jié)合率、含骨髓腔骨結(jié)合率、平均骨接觸率和種植體周圍骨密度數(shù)值如(表1)所示，差異均無顯著性(P＞0.05)。
評(píng)價(jià)種植體骨結(jié)合性能的方法主要有影像學(xué)檢查、旋出扭力法、硬組織切片技術(shù)等。本研究選擇Beagle犬作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型來評(píng)價(jià)種植體的骨結(jié)合性能，結(jié)合自身實(shí)驗(yàn)條件，選擇X線牙片縱向觀察種植體骨界面愈合情況、種植體旋出扭矩、種植體骨接觸率、種植體周圍骨密度等指標(biāo)來比較3D打印氧化鋯種植體、CAD/CAM氧化鋯種植體、純鈦種植體的骨結(jié)合性能。
本實(shí)驗(yàn)采用X線片方法，觀察種植體植入術(shù)后8周的骨界面愈合情況，結(jié)果顯示3組標(biāo)本均未發(fā)現(xiàn)種植體周圍異常透射影像，植體植入的三維位置與相互距離均正確，表明實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型成功建立。
旋出扭力法屬破壞性實(shí)驗(yàn)，會(huì)使種植體的骨結(jié)合產(chǎn)生不可逆的損傷，所以臨床應(yīng)用受到限制。但其仍是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中評(píng)價(jià)骨結(jié)合程度的重要方法，一般采用數(shù)字扭力測(cè)試儀測(cè)量并記錄種植體骨結(jié)合被破壞時(shí)的扭力峰值，間接評(píng)價(jià)骨結(jié)合的狀況。Sullivan 等［12］通過臨床研究，將20N?m 的扭力閾值作為種植體骨結(jié)合成功的標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)使用扭力扳手測(cè)量旋出扭矩峰值，結(jié)果顯示種植體植入術(shù)后8周以后，3組種植體扭力峰值均大于20N?m，提示各組種植體均能形成良好的骨結(jié)合，可認(rèn)為是成功骨結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)［13］。
不脫鈣種植體骨切片技術(shù)因其可以保存骨組織的細(xì)微結(jié)構(gòu)，已被廣泛用于種植體骨結(jié)合的形態(tài)學(xué)研究。主要的骨形態(tài)計(jì)量學(xué)參數(shù)有骨接觸率和種植體周圍骨密度。骨接觸率和種植體周圍骨密度主要反映種植體周圍新骨形成的量，這個(gè)量很難達(dá)到100%［14］。文獻(xiàn)報(bào)道氧化鋯種植體的BIC為27.1%～74.0%［15－16］，純鈦種植體的BIC為23.2%～83.7%［17－18］，一般認(rèn)為大于50%為適宜的骨結(jié)合率［19］。并且所有研究均顯示，同一觀察時(shí)間點(diǎn)氧化鋯種植體和鈦種植體BIC差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。本研究植入8周時(shí)的組織學(xué)結(jié)果顯示，3 組樣本的平均骨接觸率均達(dá)到48%以上，種植體周圍骨密度均在58%以上，均可獲得良好的初期穩(wěn)定性，并且3組骨接觸率和種植體周圍骨密度的差異無顯著性?；诒狙芯康慕Y(jié)果可得出，3D打印氧化鋯種植體、CAD/CAM氧化鋯種植體和純鈦種植體可達(dá)到相似且良好的骨結(jié)合程度，此結(jié)果和Stenlund、王曉娜等的研究結(jié)果一致［20－21］。
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