大鼠磨牙根周微觀結(jié)構(gòu)的仿真和驗(yàn)證.pdf

1、正畸力經(jīng)牙齒傳導(dǎo)至牙周組織,通過(guò)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(dòng)。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(shí)到,對(duì)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(huì)對(duì)正畸負(fù)載產(chǎn)生不同的反應(yīng),這對(duì)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(jī)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?cè)O(shè)計(jì)并進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn):
　　1.大鼠牙槽骨Micro-CT掃描及

3、骨結(jié)構(gòu)形態(tài)分析
　　對(duì)雌性SD大鼠行Micro-CT掃描,觀測(cè)健康及去勢(shì)大鼠上頜第一磨牙根周牙槽骨的顯微結(jié)構(gòu)并測(cè)量其骨結(jié)構(gòu)參數(shù),以頸椎骨骨小梁為對(duì)照,從而分析健康大鼠和去勢(shì)大鼠牙槽骨的微觀形態(tài)特點(diǎn)。
　　2.健康大鼠磨牙正畸移動(dòng)的動(dòng)態(tài)Micro-CT掃描觀測(cè)
　　建立健康大鼠磨牙近中移動(dòng)模型,在0天、1天、2天、3天、5天和7天六個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行Micro-CT活體掃描,測(cè)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(dòng)時(shí)位置和角度的改變,從而獲知磨牙移動(dòng)的規(guī)律。
　　3. OVX大鼠磨牙正畸移動(dòng)的動(dòng)態(tài)Micro-CT掃描觀測(cè)
　　建立OVX大鼠正畸加力(30g)模型,近中移動(dòng)左側(cè)上頜第一磨牙;在加力后六個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行Micro-CT活體掃描,以假手術(shù)大鼠為對(duì)照,以測(cè)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(dòng)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三觀測(cè)的大鼠磨牙受力及移動(dòng)特點(diǎn),設(shè)計(jì)相應(yīng)的工況,觀測(cè)仿真模型在正畸力作用下的應(yīng)力分布和機(jī)械形變。
　　5.健康大鼠磨牙根周微觀仿真模型正畸模擬的驗(yàn)證
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(gè)正常仿真模型,分別對(duì)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(gè)時(shí)間點(diǎn)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(jì)分析其差異以判斷模型的仿真度。
　　6.去勢(shì)大鼠磨牙根周微觀仿真模型正畸模擬的驗(yàn)證
　　根據(jù)20只去勢(shì)SD大鼠上頜磨牙根周牙槽骨骨結(jié)構(gòu)參數(shù),建立20個(gè)OVX仿真模型,加載30g力,通過(guò)比較六個(gè)時(shí)間點(diǎn)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(duì)照,統(tǒng)計(jì)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(shuō)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(shuō)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(shì),而重力組沒(méi)有。重力組作用下磨牙近中移動(dòng)更為明顯,(p<0.05)。不同正畸力值作用下,兩組均沒(méi)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(duì)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(shì),而OVX大鼠沒(méi)有,兩組差異顯著。OVX大鼠磨牙近中位移程度大于對(duì)照組,在第3天和第5天差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)。OVX大鼠在30g力作用下上頜第一磨牙沒(méi)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(diǎn);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(jī)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(duì)健康大鼠的模擬效果較好,5-7天仿真模型對(duì)健康大鼠各項(xiàng)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(duì)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(xiàng)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(duì)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(shì)。2-7天輕力(30g)和重力(100g)作用下磨牙均為整體近中移動(dòng)

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(méi)有出現(xiàn)恢復(fù)性變化趨勢(shì)。OVX大鼠磨牙受力后整體近中移動(dòng),近移程度大于對(duì)照組,但伴隨著更長(zhǎng)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(shí)間出現(xiàn)了壓縮

13、形變的特征性變化趨勢(shì),并隨著加力時(shí)間延長(zhǎng)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(shí)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(kāi)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(jī)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(shuō)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(zhǎng)期