Влияние размера ложа имплантата на крутящий момент и ранний этап остеоинтеграции: Эксперементальное исследование на собаках

• Фелипе Кампос, DDS,* Хулио Гомес, DDS.**
• Чарльз Марин, DDS, PhD,*# Хелен Тейксейра, DDS.**#
• Марсело Сузуки, DDS,*& Лукас Витек, MSc.**&
• Дарсени Занетта-Барбоса, DDS, PhD. ##
• Пауло Коэльо, DDS, PhD ***
  © 2012 Американская ассоциация челюстно-лицевых хирургов J Оральный Maxillofac Surg 70: E43-E50, 2012

Цель: Первичная стабильность является одним из ключевых факторов надежной остеоинтеграции дентальных имплантатов. Часто она достигается путем установки имплантатов в костное ложе меньшего размера. В данном исследовании оценивается влияние размера костного ложа на крутящий момент и ранний этап остеоинтеграции имплантатов, установленных у собак породы гончая.

Материалы и методы: Было приобретено шесть собак породы гончая, которым провели двусторонние хирургические вмешательства за 1 — 3 недели до смерти. Во время операции в сформированное ложе диаметром 3,2 мм, 3,5 мм и 3,8 мм были установлены 3 имплантата диаметром 4 мм и длиной 10 мм. Все имплантаты устанавливались с определенным усилием. После смерти собак костные блоки с имплантатами были подвергнуты недекальцинированной гистологической обработке, затем был проведен их морфологический и морфометрический анализ (оценка площади контакта кости с поверхностью имплантата (BIC) и степени заполнения костной тканью пространств между витками резьбы имплантата (BAFO)). Статистическая обработка данных была выполнена с использованием теста Крускаля-Уоллиса и апостериорного теста Данна для множественных сравнений, уровень статистической значимости различий составил 95%.

Значение максимального крутящего момента (± стандартное отклонение)
для различных экспериментальных групп. Количество звездочек показывает
статистически однородные группы (P = 0. 003). 

Совмещенная микрограмма, показывающая контакт поверхности имплантата с костной тканью по всему его периметру и применяемая для проведения морфологического и морфометрического анализа.

В исследовании использовали тридцать шесть дентальных имплантатов из технически чистого титана марки Grade 2 диаметром 4 мм и длиной 10 мм (Colosso, Emfils, Itu, Brazil), предварительно подвергнутых пескоструйной обработке и кислотному травлению. Получив одобрение Комитета по этике экспериментов над животными Федерального университета Уберландии (Бразилия), для лабораторной in vivo модели приобрели 6 взрослых самцов породы гончая в возрасте около 1,5 лет.
Перед общей анестезией внутримышечно были ведены сульфат атропина (0,044 мг/кг) и хлорат ксилазина (8 мг/кг). Затем использовали 15 мг/кг хлорат кетамина для проведения общей анестезии.  Для проведения имплантации была выбрана центральная часть диафиза лучевой
кости. После сбривания волос, обнажения кожи, и антисептической обработки
раствором йода участка проведения хирургического вмешательства и прилегающих
областей, был выполнен разрез длиной 5 см для получения доступа к надкостнице, откинут лоскут и обнажена костная ткань.Три имплантата были установлены вдоль лучевой кости в проксимально-дистальном направлении в костное ложе (диаметром 3,2, 3,5-и 3,8-мм соответственно) в чередующемся порядке для минимизации смещения участков кости (участки 1-3 в проксимально-дистальном направлении). Таким образом, 36 имплантатов, находившиеся в костной ткани в течение1-3 недель (образцы были установлены в правую и левую лучевые кости, где находились в in vivo условиях в течение 1 и 3 недель соответственно), были равномерно установлены на участках 1-3. С помощью данного подхода было проведено сбалансированное хирургическое вмешательство, которое позволило сравнить одинаковое количество имплантатов, конечностей, участков хирургического вмешательства (1 — 3), а также животных за единицу времени в in vivo условиях. Имплантаты были установлены на расстоянии 1см друг от друга вдоль центральной части кости. Имплантаты вводили в костное ложе и фиксировали с разным усилием (максимальное усилие составило 200 Нсм), которое определяли с помощью портативного цифрового измерителя крутящего момента (Tohnichi, Токио, Япония).

После установки имплантатов в костное ложе в них были установлены винты-заглушки для предотвращения врастания костной ткани внутрь имплантата. Мягкие ткани послойно ушили в соответствии со стандартным протоколом. Ушивание надкостницы производилось с помощью нити Vicryl 4-0 (Ethicon, Johnson & Johnson, Miami, FL), ушивание кожи – с помощью нейлона 4—0 (Ethicon). После операции были назначены антибиотики и противовоспалительные препараты, которые включали разовую дозу бензатина бензилпенициллина (20.000 UI/кг) внутримышечно и кетопрофен 1% (1 мл/5 кг). Собаки были умерщвлены передозировкой анестетика, конечности получили путем острого рассечения. После удаления мягких тканей лезвием скальпеля, провели первичную клиническую оценку стабильности имплантатов. В случае, если имплантат оказывался клинически нестабилен, его исключали из исследования. Кости с установленными имплантатами были уменьшены до размера костных блоков и погружены на 24 часа в 10% буфферизированный раствор формалина. Затем костные блоки находились под проточной водой в течение 24 часов. Следующим этапом была постепенная дегидратация образцов с помощью погружения в спиртовые растворы разной концентрации (от 70% р-ра до 100% этанола). После завершения дегидратации, образцы залили специальной пластмассой на основе метакрилата (Technovit 9100,Heraeus GmbH Kulzer, Wehrheim, Germany) в соответствии с инструкцией производителя. После полимеризации пластмассы образцы распилили на тонкие пластинки ( ок. 300 мкм. толщиной), распилы производились алмазной пилой (Isomet 2000, Buehler, Lake Bluff, IL) вдоль длинной оси имплантата, затем они были зафиксированы на акриловых пластинах с  помощью цемента на основе акрилата. Время отверждения цемента составило 24 часа, затем пластины были отшлифованы и отполированы. Костные пластинки уменьшили до толщины в 30 мкм с помощью абразивной бумаги SiC (400, 600, 800, 1200 и 2400; Buehler) в шлифовальной/ полировальной машине (Metaserv 3000, Buehler) под постоянным орошением водой.20 Образцы были окрашены толуидиновым синим для проведения гистоморфологического анализа методом оптической микроскопии с увеличением 50 — 200 раз (Leica DM2500M, Leica Microsystems GmbH, Wetzlar, Germany). Контакт костной ткани с поверхностью имплантата (BIC) оценивали при увеличении 50 — 200 раз (Leica DM2500M, Leica Microsystems GmbH) с помощью специального программного обеспечения (Leica Application Suite, Leica Microsystems GmbH). Участки BIC по всему периметру имплантата вычли из значения общего периметра имплантата для определения значения BIC. Наличие пространств между витками резьбы имплантата, заполненных костной тканью (BAFO), на участке губчатой кости определялось при 100-кратном увеличении (Leica DM2500M, Leica Microsystems GmbH) с помощью специального программного обеспечения (Leica Application Suite, Leica Microsystems GmbH). Площадь поверхности между витками резьбы имплантата, заполненной костной тканью, вычли из общей площади поверхности между витками имплантата для определения значения BAFO (в процентном выражении).21 Статистический анализ крутящего момента, показателей BIC и BAFO был выполнен с использованием теста Крускаля-Уоллиса. Статистическая значимость была установлена на уровне 95%, для множественных сравнений использовали апостериорный тест Данна.

Результаты:

Хирургическое вмешательство и последующий период наблюдения прошли без осложнений в плане условий проведения манипуляций и немедленной клинической реакции тканей на имплантаты. Также не было выявлено никаких постоперационных осложнений, ни один имплантат не был исключен из исследования по причине его подвижности. Усилие, применяемое для каждой группы образцов, представлено на Рис. 1. Во время установки имплантатов крутящий момент уменьшали в зависимости от диаметра костного ложа в последовательности 3,2 мм — 3,5 мм — 3,8 мм. Значительная разница в уровне крутящего момента наблюдалось между группами с диаметром костного ложа 3,2 мм и 3,8 мм (P = 0.003), в группе с диаметром костного ложа 3,5 мм было представлено среднее значение, с примерно одинаковой разницей в уровне крутящего момента относительно групп с диаметром костного ложа 3,2 мм и 3,8 мм. Качественная оценка биологической реакции тканей показала наличие тесного контакта между имплантатом и кортикальной и губчатой костными тканями для всех групп с разным периодом заживления, включая области, находившиеся в непосредственной близости или на значительном расстоянии от стенок костного ложа (Рис. 2).
На тонких пластинках, окрашенных толуидиновым синим, отмечался аппозиционный рост костной ткани в тех областях, где контакт между поверхностью имплантата и костной тканью наблюдался непосредственно после имплантации (Рис. 3,4). Такие области были обнаружены по всему периметру имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,2 мм и 3,5 мм, а также на внешней стороне витков резьбы имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,8 мм. В отличие от имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,2 мм и 3,5 мм, с внутренней стороны резьбы по всему диаметру имплантата, установленного в костное ложе диаметром 3,8 мм, а также на стенках самого ложа (образование костных полостей) отмечалось формирование костной ткани по типу интрамембранного остеогенеза (Рис. 3, 4). В разных экспериментальных группах также наблюдались временные морфологические изменения. На первой неделе периода заживления в области между первым и третьим витком резьбы имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,2 мм и 3,5 мм, появились обширные участки некротизированной кости (Рис. 3А, 3Б). На третьей неделе периода заживления участки некротической кости преобразовались в области ремоделированной кости, которые находились вокруг имплантата наряду с новообразованной костной тканью (Рис. 4А, 4В). На первой неделе заживления между внутренним диаметром имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,8 мм, и стенками ложа были обнаружены полости, заполненные остеогенной тканью (Рис. 3С). В полостях отмечался процесс образования первичной остеоидной ткани (Рис. 3С). Данный процесс также отмечался с внешней стороны витков резьбы имплантатов в областях, где отсутствовала некротизированная ткань (Рис. 3С). На третьей неделе периода заживления отмечалось развитие незрелой костной ткани на поверхности имплантата и на стенках костного ложа, а также в полостях между внутренним диаметром имплантата и стенками костного ложа (Рис.4С). Статистическая оценка BIC на первой и третьей неделе периода заживления показала значительную разницу в значениях для всех групп (P = 0.07, Рис 5А). В пределах самих экспериментальных групп значительных различий выявлено не было. Результаты анализа BAFO показали временное увеличение показателей длявсех групп на третьей неделе периода заживления по сравнению с первой неделей (Рис. 5Б); однако никаких статистически значимых различий не было обнаружено в пределах экспериментальных групп с разным периодом заживления in vivo, а также между экспериментальными группами в пределах разных периодов заживления in vivo (P= 0. 31).

Обсуждение:

За последние 40 лет было предложено немало хирургических протоколов установки имплантатов, значительно отличающихся от классического двухэтапного протокола имплантации.²² Как правило, для повышения стабильности имплантата на начальных этапах периода заживления использовали различные модификации дизайна имплантатов. ^23-27 После изучения всех клинических, гистологических и биомеханических факторов, влияющих на стабильность имплантата на начальном этапе заживления, Raghavendra и соавт.¹⁹ представили литературный обзор с эмпирической схемой анализа стабильности имплантатов, которая получила широкое признание. Во-первых, высокая степень первичной стабильности имплантатов достигалась довольно часто. Во-вторых, схема основывалась на данных многочисленных гистологических исследований, подтверждавших возможную утрату механической стабильности имплантата вследствие отсутствия межфазного ремоделирования с последующим аппозиционным ростом костной ткани, которое в конечном итоге позволяет достигнуть вторичной стабильности имплантата. Оценка первичной стабильности имплантата и соответствующих клинических аспектов является сложной задачей, поскольку ее достижение зависит не только от значения крутящего момента и соответствующей плотности костной ткани, но и от макро и микроструктуры поверхности имплантата, ее характеристик и размера костного ложа²⁸. За последние 5 лет появилось большое количество исследований, посвященных изучению биомеханических аспектов первичной стабильности имплантатов с помощью различных методов, таких как резонансно-частотный анализ, определение показателя устойчивости имплантатов, гистологический анализ, контактная эндоскопия, определение крутящего момента при установке и при удалении имплантата. ^{9-12, 29-34}  Однако в опубликованных исследованиях практически не рассматривался вопрос взаимосвязи между размером костного ложа, значением крутящего момента и достижением первичной стабильности имплантата на раннем этапе остеоинтеграции. В настоящем исследовании оценивалось значение крутящего момента при установке имплантатов 28 и два измеряемых параметра остеоинтеграции (BIC и BAFO)35-37 на раннем этапе периода заживления после установки имплантатов диаметром 4 мм и длиной 10 мм в костное ложе диаметром 3,2, 3,5 и 3,8 мм.

Результаты исследования показали, что максимальное значение крутящего момента достигается при установке имплантатов в костное ложе с наименьшим диаметром. Таким образом, в группе с костным ложем диаметром 3,2 мм значение крутящего момента было значительно выше, чем в группе с костным ложем диаметром 3,8 мм, в группе с диаметром костного ложа 3,5 мм отмечалось среднее по величине значение крутящего момента. Такие различия обусловлены  большей степенью компрессии и трения между имплантатом и костной тканью во время имплантации при уменьшении размера костного ложа. Помимо различных значений крутящего момента при установке имплантатов из разных групп, существенные различия отмечались также в модели заживления костной ткани на участках с костным ложем диаметром 3,5 мм или меньше и диаметром 3,8 мм. Гистологическое исследование образцов показало, что в группах с диаметром костного ложа 3,2 мм и 3,5 мм, контакт между поверхностью имплантата и костной тканью отмечался немедленно после проведения имплантации, на первой неделе периода заживления между витками резьбы имплантата были обнаружены обширные области некротизированной костной ткани. В течение двух недель на участках с некротизированной костной тканью происходил процесс ремоделирования с одновременным образованием новой костной ткани, что в результате привело к полной остеоинтеграции имплантатов. Последовательность биологических этапов ранней стадии остеоинтеграции, отмечаемая в ходе гистологического анализа данных образцов, была аналогична этапам остеоинтеграции винтовых имплантатов корневидной формы.^{16,18,21,38,39}

На оптических микрограммах показан контакт поверхности имплантатов с костной тканью через неделю после имплантации. Имплантаты установлены А, в костное ложе диаметром 3,2 мм и B, в костное ложе диаметром 3,5 мм, в области между первыми тремя витками резьбы имплантатов отмечаются участки с некротической костью (белые стрелки). C, Имплантаты установлены в костное ложе диаметром 3,8 мм, между внутренним диаметром имплантата и стенкой костного ложа отмечаются полости (красные стрелки), заполненные остеогенной тканью. В полостях отмечается процесс образования первичной остеоидной ткани (синяя стрелка).

 

 

В отличие от двух предыдущих групп, в группе сдиаметром костного ложа 3,8 мм между геометрией поверхности имплантата и стенками костного ложа были образованы пустоты, которые немедленно после имплантации заполнились кровяными сгустками.^17,38 Результаты данного гистоморфологического исследования образцов группы с диаметром костного ложа 3,8 мм полностью подтверждают результаты предыдущих работ, в которых через несколько дней после имплантации большие кровяные сгустки, заполнявшие полости40 между витками резьбы имплантата, а также между внешним диаметром имплантата и стенками костного ложа,^17,38 становились основой для образования временной матрицы соединительной ткани с высоким содержанием мезенхимальных клеток. Эта строма впоследствии служила в качестве каркаса для образования кости по типу интрамембранной оссификации, которое, согласно экспериментальным образцам и реакции костной ткани у данной модели животных, начинается через неделю после имплантации и активно продолжается на третьей неделе периода заживления. Отсутствие обширных участков некротизированной кости в областях, где отмечался тесный контакт поверхности имплантата с костной тканью, свидетельствует о том, что компрессия костной ткани была выражена слабее, чем в области имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,2 мм и 3,5 мм. Никакой статистически значимой разницы не было обнаружено между показателями BIC и BAFO в экспериментальных группах через одну и через три недели периода заживления in vivo, во всех группах отмечался стабильный рост показателей с увеличением продолжительности периода заживления (статистически значимый для BIC и статистически незначимый для BAFO) При установке имплантатов в костное ложе диаметром 3,2 мм и 3,5 мм был достигнут тесный контакт поверхности имплантата с костной тканью. Кроме того, между витками резьбы имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,8 мм, были образованы полости, заполненные впоследствии костной тканью.

На оптических микрограммах показан контакт поверхности имплантатов с костной тканью
через три недели после имплантации. В области имплантатов, установленных в А, костное ложе
диаметром 3,2 мм и B, диаметром 3,5 мм, отмечается обширное ремоделирование кости с
одновременным образованием новой костной ткани. C, Через три недели в области
имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,8 мм, наблюдается развитие
незрелой костной ткани на поверхности имплантата и на стенках костного ложа, а также в
полостях между внутренним диаметром имплантата и стенками костного ложа.

В противоположность этому, несмотря на то, что при костном ложе большего диаметра может быть достигнута меньшая степень первичной стабильности, вследствие меньшей компрессии кости, отмечается минимальное количество некротизированной костной ткани и ее последующего ремоделирования, что улучшает показатели первичной стабильности. Кроме того, быстрое заполнение незрелой костной тканью пространств между витками резьбы имплантата и стенками костного ложа может ускорить достижение вторичной стабильности. С точки зрения дизайна имплантата, очевидно, что многофакторные исследования макрогеометрии поверхности имплантата и различных размеров костного ложа позволят определить, какое сочетание условий приведет к максимальной стабильности имплантата с течением времени. Наконец, следует подчеркнуть, что экстраполяция данных исследования с животных на человека в настоящее время является невозможной в связи с отсутствием контролируемых экспериментов и перекрестных ссылок в литературе, что говорит о необходимости дальнейшего тщательного изучения проблемы.

Несмотря на то, что в разных группах были получены разные физические взаимоотношения между имплантатом и костной тканью, участки некротической кости снизили показатели BIC и BAFO до уровня, сравнимого с показателями, полученными при оценке имплантатов с сформированными полостями, на первой неделе заживления. Заживление костной ткани проходило по разным моделям: в области имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,2 мм и 3,5 мм отмечалось ремоделирование некротической кости с одновременным образованием новой костной ткани, в области имплантатов, установленных в костное ложе диаметром 3,8 мм образование новой кости проходило по типу интрамембранной оссификации. Показатели остеоинтеграции сопоставимым образом повысились с течением времени во всех экспериментальных группах. С теоретической точки зрения можно было предположить, что стабильность установленных имплантатов будет различаться в одинаковом временном периоде наблюдения. Несмотря на то, что меньший размер костного ложа может увеличить первичную стабильность имплантата, большее количество некротической ткани и ее межфазное ремоделирование могут потенциально снизить стабильность имплантатов до того момента, пока не будет достигнута вторичная стабильность имплантатов вследствие образования новой костной ткани между поверхностью имплантата и исходной костью.   Результаты BIC (P = 0. 007) и BAFO (P = 0.31) (среднее значение ± стандартное отклонение) для различных экспериментальных групп через одну и через три недели периода заживления in vivo. Количество звездочек обозначает статистически однородные группы.