赖红昌教授
上海九院种植科主任
口腔种植支持固定修复
口腔种植支持活动修复等

上海九院种植牙口腔颅颌面种植科主任,教授、主任医师、博士生导师。现任中华口腔医学会口腔种植专业委员会副主任委员,国际口腔种植协会专家委员会委员...[详细]

种植牙骨结合的生物学基础

更新时间:2020-12-18 08:39

      当生命组织如骨或软组织与非生命的异物相互作用时,就会发生各种相应的反应。 Stanford描述了生命组织与金属发生反应的原理,从高度反应过程包括金属的锈蚀到缓慢的 被动反应过程如金属表面与氧作用形成表面氧化层。许多金属都具有形成表面氧化层的作用, 例如铝、钴铬合金、镍铬合金。然而大多数金属由于这一特性而不能作为一种长效的生物材料, 因为金属的锈蚀会引起金属离子持续性释放于周围的组织,进而引起相应的局部甚至全身的 组织反应,包括急慢性炎症反应,最终导致种植体周围形成纤维包裹,即机体试图隔离异物 的组织反应。

      钛金属作为一种常用金属,重量轻、抗锈蚀、易加工且具有一定的强度。由于这些特性, 钛金属被用于造船或飞机制造业。研究发现金属钛表面会自动形成一层极强的氧化钛层,这 层氧化钛能提供一个极稳定的界面,使钙化的骨基质沉积于其上,钛金属表面的这一特性是 保证牙种植体具有良好生物相容性的基础。一个具有良好生物相容性的骨结合金属材料为细 胞及组织愈合反应提供了一个类似于正常愈合过程的表面结构,如同没有种植体或其他人工 材料存在时的组织愈合过程一样,这也意味着种植体与周围骨组织的接触是一种骨进行性改 建与再改建的结果。种植体与骨组织间的结合是一种动态的骨改建与吸收的过程是非常有意 义的。这一过程的平衡受到多种刺激的影响,包括通过修复体传到种植体的力量及其性质,种植体的设计以及种植体周围是否有炎症存在等。

        Br益nemark首先提出了精确无创的种植外科手术概念。它包括特殊设计的专用手术器械, 逐级备洞的概念以及相应的外科操作规范。当一个种植体被植入受植床时,虽然种植体为生 物相容性很好的材料做成,机体也会产生对创伤的反应,这个反应会影响组织反应的类型。 外科备洞时产热过大,温度超过42°C,亦会干扰骨组织愈合过程。在手术区血凝块形成后, 类似轻度炎症的反应出现,包括大量吞噬细胞和从邻近骨膜组织来的未分化的间充质干细胞 的增生与分化,组织分化的能力与是否存在为骨细胞分化供氧的完整的血管床有关。血供较 差的区域氧供差,导致纤维组织以及软骨形成而不是钙化骨质形成。

      正常骨组织的愈合反应会产生完全的耗化过程,而Worthington认为,生物体与钛金属 表面的愈合反应是一个在新形成的骨基质与钛表面相互反应的过程。种植体表面的处理及植 入时的状态,包括在一个严格控制条件下生产厂家的清洁、消毒以及外科植入时防污染操作, 对于种植体正常的骨结合过程极其重要。除了种植体表面的无菌处理及防污染操作外,种植 体表面的形态(粗糙度、形状、特殊设计等)、表面理化特性均会影响骨组织对种植体的生 物学反应。

 

Under等描述了种植体周围组织的生物学变化。当种楦体植入后,受植床表面会有一薄 层的骨质发生坏死(主要为死细胞及正在凋亡的细胞),随着骨结合的发生,机体逐渐将这 层骨质吸收。最初血管以每天〇.5mm的速度长入,之后在种植体植入的最初2周编织样骨开 始形成。由于钛氧化表面惰性极大,从周围骨膜新分化的成骨细胞能够分泌产生编织样的 骨基质最早与氧化表面形成接触,血管源性的破骨细胞开始破骨,形成骨吸收陷窝,以每天 4(Vm的速度吸收编织样骨基质。随着骨吸收陷窝的形成,板层状骨幵始形成,新分化的成 骨细胞开始在上面沉积,形成成熟的哈弗系统,这一过程受周围环境因素的影响,例如种植 体界面处的微小运动,局部的血供,以及全身和局部由介质控制释放的生长因子。此时,种 植体与骨之间的间隙通过修复性骨再生由新形成的骨充填,即爬行替代,最终临床上种植体 达到稳定固位。

      最初的愈合过程是通过光学愈合小室观察的,研究发现纤维血管组织长入种植体螺纹内,大约在种植体植人后三周达到高峰。电镜下观察,这种正在形成的界面表现可见成骨细胞分泌的细胞外基质与钛金属氧化表面之间存在着密切接触。Linder等报道,钛金属氧化表面与最邻近的胶原纤维之间的间隙为20~50pim,该间隙被氨基葡聚糖复合物充填,其作用可能为介导细胞外基质黏附于氧化层表面。扫描电镜观察临床上已形成骨结合的种植体的界面,可见骨直接与氧化层表面接触,中间无纤维基质。成骨样细胞紧邻界面,由一薄层蛋白多糖 及非晶体区分隔。厚度达400nm。

      当种植体植入机体后,氧化层表面与骨之间的界面并没有明显的界限,但是种植体与组 织相互作用的区域之间的距离大于1mm。研究表明当种植体植入机体后,氧化层表面对于溶 解过程非常敏感,在距离种植体一定范围内,可以检测到痕量的金属离子。因此,在选择生 物材料用于临床时,要考虑到材料组成成分中游离出的离子对于局部和全身生理系统可能造 成的危害。Hanawa观察临床上负重的种植体,发现了一系列非常有趣的变化。种植体植入6 年后,在种植体表面形成了一层厚约2000A惰性氧化钛表面。分析这层新形成的表面,发现 其成分包括有机物和无机物(Ca、P、S),这表明虽然种植体表面的氧化层表面包被着一层 蛋白质,但对这些矿物离子的摄入及增长仍非常敏感并能做出反应。当纯钛及钦合金表面暴 露在机体的血液中时,如种植体植入时,在氧化层的表面自发的形成磷酸钛混合物及含羟基基团的钙化物,这表明钦与水、矿物离子、血浆发生了反应。有趣的是,如种植体植入区的 pH值低(pH=5.2),则可以加速磷酸钙矿物质在纯钛表面的沉积。多数研究者近期的研究表明, 钛种植体植入机体后,在种植体周围的组织中可以检测到钛离子(若种植体材料为钛合金), 因此种植体表面的氧化层是一个动态的系统。氧化层表面所起的作用如同骨的改建,在种植 体与机体之间形成一个相互适应的界面。氧化层的这种具有反应能力及自发地在其表面形成 磷酸钙磷灰石的特性是钛金属材料具有良好生物相容性的原因之一。无机物材料的这种能够 在自己的表面修饰自己,以适应机体需要而进行生理性的伪装的特性,在其他无机物材料中 很少见。

       骨结合被认为是一个动态的生物学过程。虽然达到骨结合的种植体从临床角度看很稳定,但氧化表面的生物学反应不断变化。通常评估种植体骨结合的生物学反应的方法是通过显微镜在光学水平上(即所谓的组织形态测量学)测量骨接触的范围。为了评估“已达到骨结合”的种植体的状态,将测得的接触范围与将种植体拔出时所需的强度进行对比。目前还不清楚究竟需要多大的骨接触面积才能保证临床上种植体长期的稳定,但是以下的结果是一致的。当测量种植体周围骨接触的量时,骨松质的接触范围在30%~70%,平均50%。测得的数值变化非常大,这取决于测量种植体时的部位,且随着骨进行性改建,骨接触的程度也随之变化, 称为“渐进性骨结合”(progressive osseointegration)。

        Br&nemark认为,骨结合是一个动态的生理过程,且提出了其不受干扰的愈合期与逐级 负重的槪念。“骨结合”的含义是一个动态的界面环境,已达到初期愈合的区域不能受到任何 压力及存在微小动度(种植体相对于骨的移动),如种植体能够正确负重,这一界面能变得 更为成熟。早期的微小动度将反复干扰正常的骨重建过程,而导致种植体周围形成纤维瘢痕 组织。形成最初的骨结合后,即可连接基台,按照详细及精确的逐级负重规则进行负重(Load)。 众所周知,在矫形外科中,为了维持并促进骨生长,每日需要反复给予机械张力刺激。骨对 于机械力的反应影响着骨的塑型及改建过程以维持机体的自身平衡。一旦种植体初期愈合结 束,且种植体的负重模式正确,骨接触的范围在植入后的第一年年底从53%增加至74%。在 穿过骨皮质的区域,最后的骨接触范围可达90%。当在X线片上观测骨界面时,在种植体植 入后的最初几年种植体周围骨小梁增加,这一特点表明机体正常的改建反应已经适应了种植 体支持的修复体的生理负重。

      Buser和Biiion等均认为,除了种植体表面的化学特性外,种植体表面的物理特性也影响 骨结合的种植体的固位强度。经过喷沙处理的粗糙的钛金属表面比经过抛光的光滑的钛金属 表面骨接触的程度高得多,相应的抗拉出的强度也高很多。预备种植体表面时,必须使种植 体刚植入时即达到最初的稳固。这种固位力可以通过宏观的固位设计达到,如采用螺It设计 即机械固位或通过应用“压力就位”(press fit)即预备的种植体植入床比种植体的直径小一 些以增加固位力,避免早期种植体出现微动(micromovement)。这些处理也使金属钛的氧化 界面与骨结合接触面积增大。金属种植体能够达到骨结合还依赖于正确的外科操作技术,与 机体具有生物相容性的金属表面结构,能够保证种植体植入后即刻达到固位与稳定的种植体 表面物理特性。成功的骨结合只有通过精细的组织处理技术、精细的表面处理技术、逐级负 重及多种种植修复技术作为支持才能达到。

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