大鼠磨牙根周微觀結(jié)構(gòu)的仿真和驗證.pdf

1、正畸力經(jīng)牙齒傳導(dǎo)至牙周組織,通過局部應(yīng)力刺激和形變引發(fā)一系列的生物力學(xué)和分子生物學(xué)變化,使牙根壓力側(cè)和張力側(cè)的牙槽骨分別發(fā)生骨吸收和骨生成,最終導(dǎo)致牙齒的移動。正畸力作用下牙齒、牙周膜和牙槽骨的宏觀生物力學(xué)原理已經(jīng)得到了較為廣泛和深入的研究。但是,以往的研究往往將牙槽骨作為各向同性和均質(zhì)的整體進(jìn)行研究,而忽視了根周牙槽骨微觀結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性。
　　隨著高精度CT成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,牙周膜腔、硬骨板和圍繞牙根,呈復(fù)雜立體網(wǎng)狀排列的

2、松質(zhì)骨骨小梁得到了更為精密和直觀的三維成像,這使我們認(rèn)識到,對于這種以微米為單位的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)在正畸載荷作用下的生物力學(xué)表現(xiàn),我們還知之甚少。具有不同形態(tài)特征的根周牙槽骨微觀結(jié)構(gòu),尤其是骨質(zhì)疏松狀態(tài)下的牙槽骨,往往會對正畸負(fù)載產(chǎn)生不同的反應(yīng),這對正畸臨床有著重要的指導(dǎo)作用。因此,為了探討加力初期松質(zhì)骨的應(yīng)力分布及機械形變,從而構(gòu)建能夠較好模擬其力學(xué)特性的仿真模型,我們設(shè)計并進(jìn)行了如下實驗:
　　1.大鼠牙槽骨Micro-CT掃描及

3、骨結(jié)構(gòu)形態(tài)分析
　　對雌性SD大鼠行Micro-CT掃描,觀測健康及去勢大鼠上頜第一磨牙根周牙槽骨的顯微結(jié)構(gòu)并測量其骨結(jié)構(gòu)參數(shù),以頸椎骨骨小梁為對照,從而分析健康大鼠和去勢大鼠牙槽骨的微觀形態(tài)特點。
　　2.健康大鼠磨牙正畸移動的動態(tài)Micro-CT掃描觀測
　　建立健康大鼠磨牙近中移動模型,在0天、1天、2天、3天、5天和7天六個時間點進(jìn)行Micro-CT活體掃描,測量不同正畸力值(30g和100g)下磨牙牙周膜寬度

4、及磨牙近中移動時位置和角度的改變,從而獲知磨牙移動的規(guī)律。
　　3. OVX大鼠磨牙正畸移動的動態(tài)Micro-CT掃描觀測
　　建立OVX大鼠正畸加力(30g)模型,近中移動左側(cè)上頜第一磨牙;在加力后六個時間點進(jìn)行Micro-CT活體掃描,以假手術(shù)大鼠為對照,以測量不同牙槽骨狀態(tài)下磨牙牙周膜寬度變化和磨牙近中移動時位置和角度改變。
　　4.大鼠磨牙根周微觀仿真模型的建立
　　根據(jù)實驗一獲得的大鼠磨牙根周牙槽骨骨小

5、梁的骨結(jié)構(gòu)參數(shù)建立單根骨小梁模型,繼而搭建十四面體松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)單元,建立個性化數(shù)字骨小梁網(wǎng)狀構(gòu)型,從而構(gòu)建大鼠磨牙根周微觀結(jié)構(gòu)的仿真模型;根據(jù)實驗二和實驗三觀測的大鼠磨牙受力及移動特點,設(shè)計相應(yīng)的工況,觀測仿真模型在正畸力作用下的應(yīng)力分布和機械形變。
　　5.健康大鼠磨牙根周微觀仿真模型正畸模擬的驗證
　　根據(jù)實驗一獲得的20只健康雌性SD大鼠上頜第一磨牙根周骨結(jié)構(gòu)參數(shù),建立20個正常仿真模型,分別對大鼠和仿真模型進(jìn)行30g和

6、100g正畸力的加載,觀察加力后六個時間點大鼠和仿真模型骨小梁微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化,統(tǒng)計分析其差異以判斷模型的仿真度。
　　6.去勢大鼠磨牙根周微觀仿真模型正畸模擬的驗證
　　根據(jù)20只去勢SD大鼠上頜磨牙根周牙槽骨骨結(jié)構(gòu)參數(shù),建立20個OVX仿真模型,加載30g力,通過比較六個時間點仿真模型和OVX大鼠磨牙根周牙槽骨骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異,并與正常組仿真模型進(jìn)行對照,統(tǒng)計分析其差異,以判斷骨質(zhì)疏松仿真模型的正畸加力仿真度。

7、　　結(jié)果發(fā)現(xiàn):
　　1.健康大鼠磨牙根周牙槽骨的骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)、骨小梁數(shù)目(Tb.N)和結(jié)構(gòu)模型指數(shù)(SMI)均明顯高于頸椎,而骨小梁厚度(Tb.Th)和骨小梁間隙(Tb.Sp)明顯低于頸椎(p<0.05),說明健康大鼠牙槽骨骨量高于頸椎,骨小梁更為細(xì)小。OVX大鼠磨牙根周牙槽骨與頸椎的差異與健康大鼠相似。OVX大鼠的BV/TV、Tb.Th和Tb.N較健康大鼠下降,而Tb.Sp和SMI較健康大鼠升高,說明OVX大鼠牙槽骨

8、骨量下降,骨小梁吸收明顯。
　　2.健康大鼠磨牙正畸加力后,牙周膜寬度變化在0-2天明顯,重力組作用下牙周膜寬度變化更為迅速,但2-5天兩組差異不明顯,5-7天輕力組牙周膜寬度有恢復(fù)趨勢,而重力組沒有。重力組作用下磨牙近中移動更為明顯,(p<0.05)。不同正畸力值作用下,兩組均沒有明顯垂直向位移和磨牙傾斜角度的改變。
　　3. OVX大鼠磨牙正畸加力后,牙周膜寬度的變化較對照組明顯。在5-7天健康大鼠磨牙牙周膜寬度出現(xiàn)恢復(fù)

9、的趨勢,而OVX大鼠沒有,兩組差異顯著。OVX大鼠磨牙近中位移程度大于對照組,在第3天和第5天差異有統(tǒng)計學(xué)意義(p<0.05)。OVX大鼠在30g力作用下上頜第一磨牙沒有明顯的垂直向位移和磨牙傾斜角度的改變。
　　4.構(gòu)建的模型較好的反映了健康和OVX大鼠磨牙根周牙槽骨骨小梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)特點;模擬了健康和OVX大鼠在正畸力(30g和100g)作用下大鼠磨牙根周微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和機械形變,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要集中于骨小梁中段結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)和靠近

10、牙根硬骨板的部位。模型受力后出現(xiàn)壓縮形變,其骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律與牙槽骨壓縮形變相符。
　　5.在加力后的0-5天,不同力值作用下仿真模型對健康大鼠的模擬效果較好,5-7天仿真模型對健康大鼠各項骨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的模擬效果均較差。100g力作用下模型的仿真度整體低于30g力。
　　6.輕力作用下仿真模型對OVX大鼠磨牙根周牙槽骨的模擬效果在0-5天較好,5-7天各項指標(biāo)差異明顯,仿真效果較差。OVX仿真模型的仿真度整體低于對照組

11、。
　　結(jié)論:
　　1.大鼠磨牙根周牙槽骨骨小梁微觀結(jié)構(gòu)與頸椎不同:健康大鼠牙槽骨磨牙根周骨小梁為混合式骨小梁,頸椎則為板狀骨小梁;OVX大鼠磨牙根周牙槽骨較健康大鼠出現(xiàn)了明顯的骨量下降,表現(xiàn)出骨質(zhì)疏松的特征。
　　2.健康大鼠上頜磨牙加載正畸力后的0-2天磨牙的位移主要源于牙周膜的壓縮和拉伸形變。5-7天輕力(30g)作用下牙周膜寬度有恢復(fù)性變化趨勢。2-7天輕力(30g)和重力(100g)作用下磨牙均為整體近中移動

12、,重力作用下磨牙近移更為明顯。
　　3. OVX大鼠上頜磨牙加載正畸力后牙周膜寬度的變化較假手術(shù)大鼠明顯,但5-7天牙周膜寬度沒有出現(xiàn)恢復(fù)性變化趨勢。OVX大鼠磨牙受力后整體近中移動,近移程度大于對照組,但伴隨著更長的近移停滯期。
　　4.構(gòu)建了健康大鼠與OVX大鼠磨牙根周微觀仿真模型。模型能夠?qū)】岛蚈VX大鼠磨牙根周微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較好的形態(tài)模擬。正常和OVX仿真模型在30g和100g力加載下,骨結(jié)構(gòu)參數(shù)隨時間出現(xiàn)了壓縮

13、形變的特征性變化趨勢,并隨著加力時間延長逐漸顯著。由于大鼠磨牙根周牙槽骨的壓縮有一定限度,因此仿真模型只能在加載后的一定時間內(nèi)進(jìn)行力學(xué)模擬。建立了仿真模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系,為后續(xù)研究的開展打下了基礎(chǔ)。
　　5.仿真模型在加力的0-5天能夠較好的模擬健康大鼠磨牙根周牙槽骨微觀結(jié)構(gòu)的機械受力形變,但是隨著大鼠磨牙根周牙槽骨受力后骨改建的逐漸活躍,仿真效果逐漸下降,說明構(gòu)建的仿真模型不能體現(xiàn)正畸力作用下牙槽骨的長期