低幅度高频率振动波对种植体骨结合影响的研究进展

    口腔种植学是近年发展起来的一门新兴学科，种植义齿在修复缺牙的同时不损伤邻牙，因其具有良好的功能和美观的外形等优势受到了许多牙缺失患者的青睐。随着种植技术的不断发展，种植体短期和长期存活率均能达到95%以上，而早期种植治疗失败往往是种植体植入后不能与周围骨之间形成牢固的骨结合造成。
    同时，有全身性疾病（如骨质疏松症）的患者寻求治疗的频率也越来越高，这些特殊群体的骨愈合和骨结合能力往往低于正常人群，更容易导致种植治疗失败。因此，促进种植体植入后的早期骨愈合和骨结合是提高种植治疗成功率和远期疗效的关键，寻找一种简便积极的促进骨结合的方法成为了亟待解决的问题。
    低幅度高频率振动波（low-magnitude high-frequency vibration，LMHFV）是指可引起受力组织发生微应变或产生较小加速度且频率为20~90Hz的机械微刺激，有振荡、搏动、拉缩等形式，被证明有一定的成骨效应。关于LMHFV的研究最早开始于2001年，Rubin等在成年绵羊体内施加机械振动（30Hz，0.3g，20min/d），持续1年后发现，接受LMHFV刺激的实验组绵羊骨小梁密度明显升高。
    证明了LMHFV有增加骨小梁的数量和质量、刺激板层骨形成的作用。进而学者们发现，适当的LMHFV刺激对种植体周围骨的愈合和骨结合也有着积极影响。本文简单归纳了LMHFV 的作用机制，并总结了近年来关于LMHFV在种植体应用的研究进展。
    1. LMHFV的作用机制
    LMHFV可以影响骨细胞能量代谢、基因激活、生长因子分泌及基质合成等多种细胞进程，从细胞、遗传和分子水平等层面影响种植体骨愈合和骨结合。LMHFV的成骨效应主要表现为：
    （1）促进骨形成：LMHFV刺激直接增加了成骨细胞特异性转录因子和其他成骨标记基因的表达，促进骨髓间充质干细胞（MSCs）向成骨细胞分化和增殖，通过增加骨小梁数量和改善骨小梁结构质量，促进骨组织形成和愈合。
    （2）抑制骨吸收：LMHFV刺激可增加骨细胞膜的平均剪切力，骨组织能够通过产生抑制破骨细胞形成的可溶性因子来感知这些变化，从而抑制MSCs向破骨细胞分化，减少骨组织的吸收。
    （3）调节骨分化谱系：机体通过感知LMHFV刺激产生的加速度调节骨重建的细胞应答活动、影响骨分化谱系，促使其向间充质干细胞和造血干细胞分化，一方面调控成骨细胞与破骨细胞数量，促进软骨和新骨的发生，另一方面抑制间充质干细胞向脂肪分化，保留骨量，机械信号可能与其他信号协同作用以协调间充质干细胞的功能和行为，进而改善骨小梁质量和数量以促进骨愈合，改善骨质量。
    （4）增加骨血流灌注：部分研究证实，全身振动刺激可改善全身血液灌流情况，显著提高骨内的血流灌注量，促进骨组织代谢，从而提高骨密度。
    2. LMHFV的传导机制
    LMHFV 作用的传导机制的调节因子及信号传导通路目前尚无定论，可能在其中起到一定作用的信号转导通路有：
    （1）Wnt/β-catenin信号通路：LMHFV 能改变细胞核周围纤维状肌动蛋白（F-actin），使细胞骨架发生重排列，F-actin在细胞粘附和调节成骨分化过程中发挥重要作用，成骨细胞通过F-actin感知和接受LMHFV的刺激，将机械信号转化为生化信号，生化信号经细胞骨架与核骨架之间的机械耦联复合物传导至细胞核膜，引发核骨架的重建，使去磷酸化β-链蛋白（β-catenin）数量增加，并促使其向细胞核移位，激活Wnt/β-catenin通路从而影响相关蛋白及调节因子的表达，起到防止骨细胞凋亡和传递骨细胞信号等作用，同时影响成骨细胞分化、增殖和骨基质合成。
    （2）FAK和Akt信号通路：黏着斑激酶（FAK）信号转导通路和蛋白肌酶（Akt）信号转导通路在促进β-链蛋白去磷酸化和促使其向细胞核移位的过程中起到重要作用。
    （3）RANKL信号通路：LMHFV 刺激通过调控核受体激活因子κB（RANK）及其配体（RANKL）的表达影响调控破骨细胞的生成和骨基质吸收，也可通过调控护骨素（OPG）/RANKL浓度比间接抑制骨吸收。
    （4）MAPK-ERK1/2信号通路：LMHFV通过激活MAPK-ERK1/2信号通路，在成骨分化过程中影响成骨细胞活性差异基因的表达，上调相关调节蛋白的含量，以促进骨细胞合成代谢。
    3. LMHFV对种植体周围骨生长的影响
    3.1 LMHFV的作用方式
    LMHFV刺激按作用部位和方式可分为间接的全身振动刺激和直接的局部振动刺激。接触有限元分析表明，直接和间接力的作用会导致不同的骨反应，因此直接和间接机械振动刺激可导致不同的骨反应，间接机械负荷可能会对骨反应产生大范围的影响，而直接负载振动更多会影响早期的骨反应。
    3.2 LMHFV的全身振动刺激
    近年来，LMHFV的全身振动刺激对动物种植体周围骨的积极作用得到了许多实验的支持，其使用参数（包括频率、幅度和负荷持续时间）也得到了较全面的阐明。一项研究通过对大鼠胫骨种植体进行对照实验发现，LMHFV（12~150Hz，0.3g）显著增加种植体骨接触（BIC）和种植体周围骨分数（BF），证实了LMHFV有通过全身振动刺激促进种植体骨结合的潜力。
    另一项研究报道在大鼠胫骨种植体植入手术后4 周内应用LMHFV（70~150Hz，0.3g）使骨愈合速度得到了显著提升。在使用参数的研究上，现认为在种植体周围骨应用短时间（30min）、低强度（0.3g）、相对高频率（20~90Hz）的全身性机械微刺激均有一定的促进效果。有学者研究发现，在50Hz，0.3g量级的模式下的机械微刺激可能更有利于成骨分化。同时负荷时间频率也可影响种植体生长，有实验表明，连续两次持续1.25min的LMHFV可能对种植体周围骨生长具有更有利的效果，这可能是由于特定间隔序列的休止期为骨组织修复提供了充足的缓冲时间。
    3.3 LMHFV的局部振动刺激
    临床实践应用中，全身振动刺激存在一定的弊端，通过口腔内的小装置进行局部直接负荷刺激比通过大面积的全身振动进行间接负荷刺激的可行性更高，且带来更小的不良反应，故LMHFV的局部直接作用可能带来更大的临床应用潜在价值。一项研究在比格犬下颌骨内植入种植体，将LMHFV（100Hz，8μm）直接作用于种植体，发现局部直接作用的LMHFV 刺激在比格犬的早期愈合期间对种植体周围骨的愈合有积极影响。
    另一项研究发现，直接应用于种植体的LMHFV（40 Hz，8μm）可在在皮质水平可引起更多的骨与种植体接触，促进种植体周围骨的早期骨结合。不同频率的LMHFV局部应用可能会产生不同的促进效果。有研究发现，在20Hz时应用效果较佳，而在40Hz时的应用效果则不明显。LMHFV的局部直接应用更适用于口腔内的特殊环境，但适用于口腔种植体LMHFV的最优频率和强度尚缺乏系统性的实验评估，有待进一步进行研究。
    3.4 LMHFV在骨质疏松中的应用
    骨质疏松症（osteoporosis，OP）是常见的骨代谢疾病，是一种以骨量降低、骨组织细微结构破坏，导致骨脆性增加而易发生骨折为特征的全身性骨病，主要影响绝经后女性和老年男性。骨质疏松患者种植体植入后的初期稳定性较正常颌骨组织者低，影响种植体骨结合，故骨质疏松症被认为是长期种植治疗失败的系统性危险因素之一。
   许多研究表明LMHFV作为一种物理干预措施可有效地提高骨质疏松患者植入后的骨结合率和愈合度。Rubin等在2006年指出，LMHFV可作为一种安全无创、无不良反应的物理疗法用于预防甚至逆转残疾儿童和绝经后妇女的骨质疏松。一项研究发现，全身性应用LMHFV（45Hz，0.2g，30min/d）4周可部分逆转骨质疏松症对去势大鼠种植体的不利影响。LMHFV的全身振动刺激促进骨质疏松大鼠胫骨种植体的骨结合，在转录和蛋白质水平促进成骨细胞的分化，抑制破骨细胞的形成。而联合应用LMHFV与抗骨质疏松药物（如阿伦磷酸盐、雌激素、雷洛昔芬等）可能存在累加作用，协同促进种植体周围骨的骨结合。
    一项临床研究选取100例骨质疏松症种植牙患者，在应用抗骨质疏松症治疗的基础上，对实验组进行机械微刺激治疗，结果表明机械微刺激能促进成骨细胞生长、抑制破骨细胞，有效提高骨密度、促进骨愈合，减少种植体周围骨吸收、刺激痛和炎症发生率，有着较好的临床疗效，值得临床推广。
    鉴于骨质疏松症是一种全身性骨病，因此在防治骨质疏松症方面的研究多采用全身振动。虽然LMHFV在骨质疏松症上的应用仍存在一定争议，但不可否认的是，LMHFV可作为骨量恢复的一种非药物干预手段，单独或联合作用后对种植体周围骨早期骨愈合和骨结合起到积极的作用，为骨质疏松症患者的种植带来福音。
    4. LMHFV的安全性
    在LMHFV的疗效得到肯定的同时，其应用的安全性也备受关注。LMHFV作为一种物理性的力学刺激，有着一定的频率幅度参数，LMHFV的使用参数可对治疗的安全性产生影响。通常我们认为短期的LMHFV刺激是相对安全的，而长期高强度的LMHFV 刺激可能会对人体功能代谢造成损害。有研究发现，长期LMHFV的全身振动可能促使去势大鼠的骨小梁丢失，加重骨质疏松症。
    LMHFV不同的振动模式的安全性也有一定的区别。例如，间歇振动相对于持续振动而言，可避免或减轻耐受的产生，在保持疗效的同时有着更高的安全性。复合振动在保留垂直振动成骨作用的同时，能降低刺激的强度，提高治疗的安全性。如何针对不同人群制定不同的振动方案将会是LMHFV在临床研究中的重难点。
    5.展望
    LMHFV作为一种短期、简便、洁净、不良反应少的非药理学、非侵入性的物理疗法，其强大的激活骨细胞、促进骨愈合的潜力得到了众多学者的青睐。LMHFV不仅在全身应用中可达到促进骨折愈合、增加绝经后妇女骨密度、预防老年人跌倒和骨折等作用，其局部应用在促进种植体周围骨的早期骨愈合和种植体骨结合上也极具潜力，对某些全身性疾病导致的骨量减少、成骨能力降低的患者有着重要意义，可有效提高种植治疗的成功率和远期疗效。
    鉴于LMHFV的局部直接作用可能在口腔内带来更大的临床潜在价值，现阶段研究的重点仍在于对颌骨植入物LMHFV直接负荷条件的最佳条件参数研究以及寻找一种有效便捷地在人体口腔中释放LMHFV 的应用方式研究，同时也期待更多相关临床研究的支持。