朱曉茹 鄧天政 逄鍵梁 劉冰 柯杰

本課題組通過對空軍飛行人員口腔疾病大規(guī)模流行病學調查，發(fā)現牙列缺損在軍事飛行人員及招飛學員中的發(fā)生率大于10%，牙列缺損引起的咀嚼、咬合及顳頜關節(jié)疾病對飛行安全有著嚴重影響[1]。由于軍事飛行人員及航天員在飛行過程中會遇到超重、失重等各種特殊的力學環(huán)境，傳統(tǒng)的修復治療手段有一定的局限性。目前種植牙修復牙列缺損已被越來越多的用于臨床。俄羅斯宇航局就曾在2006 年報道了一例宇航員種植術后在太空生活6個月后的情況，結果認為種植牙對于宇航員未造成不良影響[2]，但由于國內外這方面的研究數據較少，因此該技術還未能在我軍飛行人員中應用。本研究即針對這一情況，從動物水平觀察高正加速度(+Gz)狀態(tài)對種植體與骨組織結合的影響，以期為種植術在軍事飛行員及航天員中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗動物 新西蘭白兔18 只，雄性，體重(2 485±248) g，口內狀況良好，購自北京聯(lián)合利華實驗動物養(yǎng)殖中心。

1.1.2 主要實驗設備 純鈦種植體(山東煙臺威高醫(yī)療器械公司)： 種植體形態(tài)(圖 1)，種植體表面經過大顆粒酸蝕噴砂處理，γ射線消毒后單獨包裝備用；手術器械：牙科探針、拔牙鉗、微創(chuàng)挺、止血鉗、持針器、可吸收縫線、眼科剪、種植體持釘器。術前手術器械常規(guī)高溫高壓消毒滅菌；其他實驗設備：小動物離心機(長春奧普光電技術股份有限公司)；Inveon Micro-CT機、CT掃描軟件Inveon Acquisition、CT分析軟件Inveon Research、CT重建軟件COBRA_Exxim(Siemens，德國)；光學顯微鏡(Olympus，日本)；切片機(Leica 1600， Leica，德國)。

圖 1 種植體設計圖及實物圖

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗方案 按隨機數字表將18 只實驗動物隨機分為A1(3 周對照組)、B1(3 周實驗組)、A2(5 周對照組)、B2(5 周實驗組)、A3(12 周對照組)、B3(12 周實驗組)6 組，每組3 只。

實驗動物在適應性飼養(yǎng)1 周后，在3%戊巴比妥鈉腹腔麻醉和1%阿替卡因腎上腺素注射液局部麻醉下，拔除兔子下頜2 顆切牙，在每個拔牙窩內即刻種植1 顆種植體，植入扭力矩為15 N·cm，術后嚴密縫合下頜牙齦。術后給動物肌注青霉素40 萬U/d，并每天清理口腔，連續(xù)3 d，期間密切觀察其傷口愈合情況及精神活動狀況。

術后休息1 周，然后實驗組動物(B1、B2、B3組)在小動物離心機上開始加載+Gz。我們根據飛行員飛行訓練以及實戰(zhàn)演練的實際情況，并參考國軍標GJB4423-2002及國外的訓練方案[3]，設定了圖2所示的實驗動物每次的加載方案，加速度的增長率為1 G/s，加載間隔為1 min，每周加載3 次。對照組動物不加載+Gz，常規(guī)飼養(yǎng)。

圖 2 實驗組動物離心訓練方案

A1、B1組在加載+Gz 2 周后處死，A2、B2組在加載+Gz 4 周后處死，A3、B3組在A3組加載+Gz 4 周，然后常規(guī)飼養(yǎng)7 周后處死。截取含種植體的標本，修整以后以生理鹽水反復沖洗，放入4%的甲醛溶液中固定。每組最后收獲6 個標本。

1.2.2 觀察指標 ①動物一般情況觀察;②Micro-CT掃描及骨組織形態(tài)計量學分析。將標本采用Micro-CT機進行掃描，掃描分辨率為8.99 μm。掃描結果進行三維重建分析。將種植體中下2/3段周圍1mm的區(qū)域設為興趣區(qū)(region of interest，ROI)，進行骨組織形態(tài)計量學分析，分析的主要參數包括：骨體積分數(bone volume fraction, BV/TV)、骨小梁厚度(trabecular thickness, Tb.Th)、骨小梁數量(trabecular number, Tb.N)、骨小梁間隙(trabecular spacing, Tb.Sp)[4];③組織學觀察及種植體-骨結合率(bone implant contact, BIC)分析。將Micro-CT掃描過的種植體標本修整后制作不脫鈣種植體-骨磨片。將標本依次脫水、透明后樹脂包埋，然后用切片機將標本頰舌向縱向切割成150 μm厚的切片，再研磨至30 μm厚。然后進行亞甲基藍-酸性品紅染色并封片，在光學顯微鏡下觀察每個種植體切片的中下2/3部分，并拍攝照片，采用Image Pro Plus 6.0圖像分析軟件進行測量分析，計算BIC。

1.3 統(tǒng)計學分析

使用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，若滿足方差齊性，則采用2 組獨立樣本的t檢驗進行分析，若不齊，則采用秩和檢驗。檢驗水準α=0.05。

2 結 果

2.1 大體觀察

18 只實驗動物均順利完成了拔牙和即刻種植手術，術后均無死亡，術后第2天動物可自主少量進食。術后術區(qū)傷口愈合良好，無紅腫流膿等癥狀。實驗組動物能夠耐受實驗中設計的+Gz環(huán)境，在加載+Gz后無明顯異常。

2.2 Micro-CT掃描結果和骨組織形態(tài)計量學分析

Micro-CT掃描重建結果顯示，種植體周圍骨小梁排列整齊、呈密集網狀結構，骨小梁組織包繞各組種植體表面，與種植體緊密接觸，形成種植體-骨結合界面。隨著觀察時間增加，種植體周圍(ROI)骨小梁的數量和厚度都有明顯增加(圖 3)。

圖 3 三維重建后各組種植體ROI的骨小梁情況

隨著術后觀察時間的增加，2 組動物的BV/TV、Tb.Th、Tb.N均有所增加，而Tb.Sp逐漸降低。對照組動物在3～5 周時間段各指標變化比較明顯，而實驗組在5～12 周的各指標變化比較明顯。

術后3 周和12 周時， ROI區(qū)域骨體積定量(VOI)實驗組骨各指標與對照組相比均沒有明顯的統(tǒng)計學差異；術后5 周時，實驗組BV/TV和Tb.N明顯低于對照組，而Tb.Sp明顯高于對照組，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)(表 1)。

2.3 組織學觀察及BIC分析

表 1 各組種植體VOI區(qū)域的骨組織計量學分析

注： ① 與對照組相比，P<0.05

種植體-骨磨片在進行亞甲藍-酸性品紅染色后，光學顯微鏡下可見：紅色為骨小梁，藍色為成骨細胞、成纖維細胞、類骨質等間質。術后3 周，對照組種植體周圍的部分表面被粗細不均的骨小梁包繞，部分表面與骨髓腔直接接觸；種植體螺紋表面有新骨形成，并向種植體表面和外周基骨方向延展。實驗組種植體周圍個別區(qū)域仍有大量的炎性細胞，類骨質和纖維組織較多。術后5 周，對照組新生骨繼續(xù)沿種植體螺紋表面生長，并開始形成較為成熟的骨小梁形態(tài)；同時還可以觀察到距離成骨，種植體周圍的基骨組織向種植體表面生長；種植體周圍骨小梁增粗、面積增大，且種植體-骨界面骨改建活躍。實驗組與對照組相比種植體周圍的骨小梁較稀疏。術后12 周，2 組種植體周圍骨小梁結構均較粗大、致密且連續(xù)性好，以板層骨為主，可見到哈弗系統(tǒng)(圖 4)。

BIC隨術后觀察時間的增加而逐漸增高，在各時間點實驗組BIC都略低于對照組，且5 周和12 周時2 組BIC的差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)(表 2)。

圖 4 各組種植體-骨磨片組織學觀察 (HE， ×20)

Fig 4 Histological examination of the implant-bone ground sections (HE， ×20)

表 2 各組種植體的種植體-骨結合率 (BIC, %)

Tab 2 Bone-implant contact of the 2 groups (BIC, %)

注： ① 與對照組相比，P<0.05

3 討 論

戰(zhàn)斗機飛行員在飛行過程中會遇到各種特殊的力學環(huán)境。當戰(zhàn)斗機在做盤旋、筋斗、半筋斗翻轉、半滾倒轉等曲線飛行時，飛行員會受到由足指向頭的持續(xù)性+Gz(也叫正超重)作用；航天員在發(fā)射和回收過程中也會受到持續(xù)性+Gz的作用[5-6]。研究發(fā)現持續(xù)性+Gz作用于人體時，引起的主要生物力學效應包括體重增加、血液柱流體靜壓增大、血液向下半身轉移、頭頸部血流量減少、器官移位及變形等[7-8]。但是目前關于高+Gz環(huán)境對種植體與骨結合影響的研究還未見報道，因此本研究旨在從動物模型的水平研究高+Gz對種植術后骨結合的影響。

由于本研究要在動物離心機上為動物加載+Gz，而我們的小動物離心機目前能離心的最大動物是兔子；而且加載+Gz時，頜骨與下肢長骨所受的力是不同的，因此在頜骨上植入種植體最接近實際情況；若待兔拔牙后牙槽骨改建后再進行種植手術，常常會出現牙槽骨高度不足、骨壁變薄等問題。因此在綜合考慮以上因素的情況下，本實驗采用拔除兔雙側下頜切牙后即刻植入種植體的模型進行研究。

本研究采用Micro-CT檢測以及硬組織切片觀察的方法觀察了高+Gz環(huán)境對兔下頜前牙區(qū)種植后骨結合的影響。結果顯示種植術后加載高+Gz 2 周對骨結合沒有明顯影響，加載高+Gz 4 周時，實驗組骨結合明顯較對照組差，但是不加載+Gz后，經過7 周的恢復，在術后12 周時，實驗組和對照組除BIC外各觀測指標無明顯差異。

實驗組與對照組種植體都有與時間呈正相關的成骨效應，BV/TV、Tb.Th、Tb.N以及BIC都有逐漸增高的趨勢，而Tb.Sp有逐漸減小的趨勢。對照組各觀測指標在3 周到5 周時變化比較明顯，而在5 周到12 周時變化比較平穩(wěn)，說明新骨形成主要發(fā)生在種植術后前5 周時間段內，而5 周到12 周新骨形成減緩，主要以骨改建為主，骨小梁逐漸融合，編織骨逐漸轉化為板層骨，骨組織礦化程度增高，新生骨組織逐漸趨于成熟。這一結果與以往的研究都比較一致[9-11]。與對照組相比，實驗組BV/TV、Tb.N以及BIC在5 周時都明顯低于對照組，而Tb.Sp明顯高于對照組，而在12 周時除BIC外實驗組各觀測指標與對照組相比沒有明顯差異，這說明高+Gz環(huán)境使種植術后的新骨形成速度減緩，對骨結合有不利影響，而停止加載高+Gz，經過一段時間的生長改建，種植體的骨結合還能夠有所恢復。

研究發(fā)現，當成骨樣細胞處于低水平高重力(2～5 g)環(huán)境中時，細胞增殖顯著增加[12]，而處于高水平高重力(40～80 g)環(huán)境中時，細胞增殖反而受到抑制[13-14]。動物實驗也發(fā)現2 g高重力環(huán)境對大鼠股骨的形成和皮質骨成分影響不顯著，但膠原交聯(lián)和骨成熟度增加[15-16]；而3 g高重力環(huán)境就會對小鼠的骨骼系統(tǒng)產生有害影響，使骨皮質變薄、破骨細胞增加。這些結果說明超重狀態(tài)對于骨細胞以及骨結合的影響可能存在一個“臨界點”，在“臨界點”以上時高重力狀態(tài)就會抑制成骨細胞的增殖及分化，影響到種植術后的骨結合。但是其影響的具體機制目前還不清楚，這也是我們的課題下一步要研究的方向。

總之，我們的研究結果表明，種植術后早期就進入高+Gz環(huán)境對種植體-骨結合有不利影響，因此建議飛行人員如果進行種植修復的話，在種植術后應適當延長休息停飛時間，在骨結合完成后再進行飛行訓練。