聚氨酯人造骨在口腔植入物体外研究中的应用现状

    随着口腔种植、临床正畸以及颌面外科治疗等相关技术的日益提高，种植义齿、疑难牙正畸的种植支抗螺钉、颌骨骨折或肿瘤切除术后骨缺损等移植物的固定装置等外科植入物在临床上已被广泛应用，而口腔植入物的生物力学特性和植入物角度、深度等植入的位置对于人体替代组织结构的功能维持至关重要，因此，植入技术精准性的提高也变得越来越重要。
    由于人体组织结构的精致性，其植入物的植入技术准确性测试和研究非常重要，体外研究是实现临床应用前实验的第一步，是帮助人们了解口腔植入材料在人体组织内能否与软硬组织合理共存的机械和生物学特性的基本过程，而在体外研究中，实验模型材料的选择显得尤为重要。
    毫无疑问，用于体外实验的测试介质，人类尸体骨骼是首选的真实材料，然而由于尸体来源等存在诸多挑战，如尸体骨骼因存放时间和固定情况不同，其骨质基本是不均匀的，加之其物理特性因年龄、性别、骨骼类型等存在较大差异，尤其存在着严重的伦理关切。此外，还要考虑尸骨的储存、防止疾病传播等诸多问题。
    这些挑战决定了人造骨模型材料成为更有吸引力的首选实验替代品。据文献报道，应用于口腔医学领域体外研究的常见材料模型有石膏类、丙烯酸类和聚氨酯类等，石膏类模型大多用于不需要考虑模拟颌骨生物学特性的实验，丙烯酸类多用于制作无牙颌模型，可用于测试种植覆盖义齿固位力和种植体周围应力等实验。与前两类相比较，聚氨酯类材料则能模拟颌骨特性，因此在体外研究中的应用也更为广泛。
    本文针对聚氨酯类实验模型在口腔植入物体外研究中的应用情况及其在应用中的优势与不足进行比较，以期为未来的体外实验研究提供借鉴。聚氨酯全名聚氨酯甲酸酯，是一种高分子化合物。它是由六亚甲基序列组成的聚氨酯单体，呈对称线性链结构，因此有非常坚固的超微结构。该材料结构均匀，可以根据不同密度模拟人类颌骨的不同结构。该材料制造的人工骨块可以是具有恒定条件的标准化模型，可保证每个植入物被放置在相同密度的骨模型中，用其对器械和植入物进行物理性能检测。
    已有实验证明，聚氨酯人造骨可以表现出与骨骼相似的机械行为，再现了人类颌骨的力学特性，并且能够消除人类尸体骨骼和动物骨骼的差异变量。美国材料试验协会（ASTMF-1839-08）已经批准使用聚氨酯作为测试仪器和口腔植入物的标准材料。此外，该材料还有不受干燥等储存条件的影响以及不需要特殊处理和保存的优势。目前，聚氨酯人工骨块已被广泛应用于不同的体外生物力学实验研究中，主要应用于以下几个方面：
    1.口腔种植牙相关方面的体外研究应用
    种植体植入牙槽骨的初始稳定性是影响其种植成功的最重要因素之一。种植体的初始稳定性差可能导致过度的微运动，这可能会诱导纤维结缔组织的形成，从而阻碍种植体的骨结合。较高的种植体初始稳定性能产生更好的骨结合，从而获得更高的成功率。影响种植体初始稳定性的因素主要包括外科手术技术、植入物的几何形状和表面处理、种植体与周围骨的界面以及骨质和骨量情况等。
    在种植体植入过程中，其中骨密度在决定种植体初始稳定性方面起关键作用。文献中报道，人类上颌骨后部骨密度约0.31 g/cm3,上颌骨前部骨密度约0.55 g/cm3。Sugiura 等采用密度分别为0.16 g/cm3 和0.32 g/cm3 的实心刚性聚氨酯模拟低密度和低至中密度的骨松质，又由于既往报道上颌骨前部骨密质厚度0.82mm、上颌骨后部厚度0.75 mm，因此采用密度为0.80 g/cm3、厚度1 cm的聚氨酯层模拟骨密质层，制备四种骨密度类型的人工骨块分别是：①无骨密质的低密度骨松质，②有骨密质的低密度骨松质，③无骨密质的低至中密度骨松质，④有骨密质的低至中密度骨松质。
    应用上述模型，通过测量种植体的位移来研究圆柱状和锥状种植体在不同骨类型中的初始稳定性，并探讨了种植体插入扭矩和种植体位移的关系。研究结果表明种植体的稳定性主要取决于骨的类型，而种植体的设计对初始稳定性的影响有限。只有当牙槽嵴骨密质存在时，使用锥状种植体才可能有利于改善低密度骨松质患者的初始稳定性。另外发现两种种植体设计的植入扭矩和种植体位移之间的总体关系基本相似。
    同样扭矩的圆柱型和锥型种植体并不一定代表骨类型中相似的初始稳定性。与此类似，Sierra-Rebolledo等通过应用相似的不同骨密度聚氨酯模型进行钻孔，并归纳出最终可钻孔尺寸，对种植体的初始稳定性进行了生物力学研究。除骨密度外，不可忽视骨弹性模量和骨松质的细胞形态结构对种植体初始稳定性的影响。
    基于Misch等对骨松质的弹性模量范围的研究，Huang等选用一种弹性模量123 MPa的实心刚性聚氨酯人造骨块和四种弹性模量分别137 MPa、47.5 MPa、23.0 MPa和12.4 MPa的细胞刚性的聚氨酯人造骨块用于模仿颌骨的骨松质。另选用弹性模量6.5 MPa且有开放细胞特征的人造骨块则用于模拟骨质疏松症情况。
    所有模型骨块上附着厚2 mm、弹性模量16.7 GPa的人造骨密质。将上述模型用于种植体植入研究，评估了骨松质弹性模量对即刻种植周围骨应变和初始稳定性的影响，结果表明，骨弹性模量对种植体的初始稳定性有重要影响，骨质疏松症的骨的开放细胞结构会降低种植体的初始稳定性。且研究发现用人造骨模型开展实验室研究若不考虑模拟骨松质的细胞形态结构，实验结果可能会产生错误预判。因此可见与骨松质的细胞形态结构相似的聚氨酯人造骨模型在应用于种植体植入后初始稳定性研究方面具有一定优越性。
    除考虑骨密度、弹性模量对初始稳定性的影响外，骨密质厚度对植入物初始稳定性的影响也应得到重视。人类上颌骨平均骨密质厚度1.09~2.12 mm，下颌骨骨密质厚度范围1.59~3.03 mm。Huang等将厚度分别为1 mm、2 mm、3 mm的聚氨酯人造骨密质与模拟骨松质的人造骨块用氰基丙烯酸树脂粘接剂粘结来模拟有不同厚度骨密质的人类颌骨，应用该人造骨模型研究骨密质厚度对种植体初始稳定性的影响，研究的实验结果表明，种植体稳定系数(implant stability quotient, ISQ）与骨密质的厚度显著相关，骨密质厚度会影响植入物的初始稳定性，增加骨密质厚度能够为种植体提供足够的支撑。
    除上述因素外，不同手术技术对种植体初始稳定性的影响也不可忽视。现今基于图像数据的计算机辅助种植技术已被引入种植手术领域，极大地提高了种植体植入的准确性，并可在一定程度上避免相关的潜在风险。目前计算机辅助种植技术有静态导板、动态导航和口腔种植机器人等。有学者将部分牙缺失的成品上颌聚氨酯颌骨模型作为体外研究模型，分别完成了静态导板和动态导航种植实验，通过分析比较，静态导板和动态导航技术在植入种植体的准确性方面没有明显差异，这与Yimarj等在临床研究中采用静态导板和动态导航，比较种植体植入的位置精度的研究结论一致。
    在口腔种植牙的体外研究中，与其他离体骨模型相比较，聚氨酯模型容易获取，可以提供均一稳定的测试样本，可排除因实验模型差异对实验结果带来的干扰。然而真实的颌骨是一种活的组织，骨的重塑和其他生物学因素可能也会影响种植体的初始稳定性。因此在体外研究基础上，还需要进一步结合临床研究来阐明骨质量对种植体初始稳定性影响的真实生物力学效果。
    2.正畸微型骨螺钉相关方面的体外研究应用
    在正畸治疗中，支抗是获得美学外观和正常咬合功能，实现正畸治疗效果的重要治疗措施。在各种骨骼支抗中，正畸微型螺钉尺寸小，可以放在不同的区域，不损伤牙或其他解剖结构，而且它易于植入和移除。目前这种微型螺钉已被用于各种临床情况。然而微型螺钉的临床应用并不能保证每次都获得成功，大多数微型螺钉失败发生在早期阶段。
    已知生物稳定性是微型螺钉植入成功的前提，微型螺钉的生物稳定性与螺钉设计、植入区骨质量和数量等有关。因此通过体外模型测试微型螺钉的生物力学机制尤为重要。Cha等用硬质聚氨酯密度为0.80 g/cm3、弹性模量为1148 MPa人造骨密质，厚度分别为1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm，使用氰基丙烯酸树脂粘合剂使其每层都附着在0.32 g/cm3，弹性模量210 MPa的硬质聚氨酯人造骨块上作为模拟人类颌骨的模型，通过分析骨-种植体界面的应变和植入过程插入的扭矩来评估双螺纹微型骨螺钉在不同厚度的骨密质中的生物力学性能，得出结论：双螺纹微型骨螺钉可以提供更好的初始稳定性，但它可能会导致在厚骨密质层的骨-种植体界面的生理骨重塑水平上的过度应变。
    Pan等应用类似骨模型，评估骨密质厚度和骨小梁骨密度对正畸微型种植体初始稳定性的影响，结果表明骨密质厚度和骨小梁骨密度与共振频率均有很强的线性相关性，证明正畸微型种植体在放置时的稳定性受到骨密质厚度和骨小梁骨密度的影响。
    而Chang等也应用类似骨模型，探讨了各种微型螺钉的设计因素，包括螺纹深度、锥度等对插入扭矩、拉拔强度、刚度以及失败前螺钉位移的影响，其通过有限元分析以确定最佳设计参数，根据设计参数制造微型螺钉在聚氨酯人造骨模型上进行机械测试，以验证有限元分析结果，结果表明对微型种植体设计的修改可以极大地影响其力学性能，有限元方法是识别最优设计参数的有效工具，通过改进微型种植体设计可以增加其稳定性，进而减少植入失败。
    聚氨酯人造骨模型在正畸体外研究中的应用，具有可以消除与骨相关的变异性的优势。然而这种体外模型仅能用于研究微型螺钉植入的初始稳定性，后续需要动物实验才能更好的了解其长期稳定性，包括骨结合、骨重塑等。当然，最终只有通过临床试验来评估不同微型螺钉的长期稳定性，进而选出最适合临床应用的微型螺钉。
    3.颌骨骨折后固定方面的体外研究应用
    下颌骨骨折在口腔颌面部外伤中很常见。在过去几十年里，颌骨骨折固定方面，尤其下颌骨骨折的治疗研究已取得一定进步。萎缩性下颌骨骨折、带游离血管骨移植物的重建、病理性骨折和粉碎性骨折等，目前临床上通常借助不同类型的微型固定板锁定系统进行复位后固定治疗，然而关于最佳治疗方法仍存在许多争论。
    为了寻求适合的下颌骨骨折复位后固定方法，使患者恢复快、并发症少，临床研究人员一直进行着多方面体外实验和临床研究。研究骨折固定系统的体外测试很多是用人类尸骨完成的，然而人类尸骨不易获取，因此为了研究多种固定系统的生物力学特性，需要一种经济且可重复的测试模型。
    Lieger等将30 pcf（0.48 g/cm3）的聚氨酯人造骨块在铣床上根据固定板的类型钻孔，钻6 个孔后将该骨块从中心部分切开，使其宽度减少10 mm，以这个厚度用来代表下颌骨的横截面积，用骨凿敲碎材料模拟骨折情况，最后用6 个螺钉将钢板固定在人造骨模型上。该研究团队应用这种骨折模型对不同的螺钉或固定板设计完成了四点弯曲测试，比较它们在实际负荷条件下的初始稳定性和失效极限，很好的评估了不同锁定系统用于下颌骨固定和重建的初始稳定性和疲劳后的稳定性。
    Pereira-Filho等用成品聚氨酯无牙颌下颌骨模型，在其联合体中线处垂直切割，模拟下颌骨线性骨折，有效评估了使用锁定重建钢板时稳定萎缩性下颌骨骨折需要的螺钉数量。Kolsuz 等用成品聚氨酯模型制作下颌骨髁突骨折模型完成了有限元分析等实验，分析了不同锁定系统的生物力学稳定性。
    Polat 等用合成聚氨酯半侧下颌骨，对自锁微型钛板系统和传统系统的固定稳定性进行了比较上述实验结果证明，自锁微型钛板系统显示出优于传统系统的固定稳定性，并且得出孔的数量和螺钉的长度似乎对稳定很有效的结论。聚氨酯人造骨作为骨折模型，虽然其结构和性质与人骨尚存在差异，但已经证明其可以在体外实验中有效模拟天然骨骼的机械行为，确保实验的高度可重复性。
    4.总结与展望
    大量文献证实，硬质聚氨酯虽然无法模拟动物和人类骨骼的生物结构复杂性，无法实现其内加载神经、脉管系统和生长代谢等生物学功能，但它克服了人类尸体骨骼和动物骨骼的解剖限制，提供了可以保持一致性的物理学测试样本模型，使体外研究能够产生具有一定代表性和可比性的测量值。因此，硬质聚氨酯人造骨是生物医学体外理学性能研究的重要工具。然而，体外研究中应用的聚氨酯人造骨块大多是固体块状结构，在模型形态设计上，距离人体复杂结构的个体化需求也尚有一定局限性。
    不过随着近年来3D打印技术的迅速发展，3D打印聚氨酯模型应该可以根据研究的需要设计不同形状和结构的物体模型，期待其可以从多方面设计中克服这一局限性，使未来聚氨酯实验模型可以更好地应用于更多体外植入物理化性能研究领域中。