下颌骨牵引延长过程中器械的应用与拆除时机
作者：常晓峰 顾晓明
单位：常晓峰(现在西安交通大学口腔医学院)；顾晓明(第四军医大学口腔医院颌面外科 710032)
关键词：生物力学；下颌骨；骨密度
实用口腔医学杂志000413〔摘要〕目的：确定下颌骨骨牵引延长过程中器械应用与拆除时机,为临床应用提供参考。方法：采用自制的MS-1型内置式下颌骨骨牵引延长器行犬下颌骨牵引延长；取新成骨，制成标准骨生物力学测试件，进行轴向压缩及三点弯曲实验；测量新成骨的弯曲强度、抗压强度、弹性模量、泊松比等特征材料参数，并与对照组分别比较。结果：新成骨在牵引完成后3周时分别达到对照组的37%～ 60%，5周时各参数值分别达到正常对照组的89%～ 95%。结论：内置式下颌骨骨牵引延长器在牵引完成后，经4～5周固定愈合期后可考虑拆除。本研究为临床使用DO技术与器械提供了参考。
中图分类号：R782+3 文献标识码：A
文章编号：1001-3733(2000)04-0294-04
The removing time for distraction of osteogenesis device on mandibular lengthening process
Chang Xiaofeng,Gu Xiaoming
(Department of Oral & Maxillofacial Surgery,Stomatological Hospital,Fourth Military Medical University,Xi'an 710032)
〔Abstract〕Objective：To measure the biomechanical property of the new bone generated by mandible lengthening with a self-made internal distraction osteogenesis (DO) device.Methods:DO device was applied in dogs to elongate the mandible.Three-point bending and compress tests were conducted on standard new bone specimens 3 and 5 weeks after operation.The indexes of ultimate load,stress,elastic module and possion ratio of the specimens were measured.Results:The ultimate stress of the new bone approached 37%～60% and 89%～95% of that of the normal mandible controls 3 and 5 weeks after operation respectively.Conclusion:The DO device could be removed after 4～5 weeks of consolidation during the distraction osteogenesis of mandible lengthening.
Key words Biomechanics;Mandible;Bone density
骨牵引延长技术应用于颅颌面外科领域的时间很短但发展较快。有关技术原则多借用矫形外科实验和临床获得的结果〔1〕，诸如：环皮质切开、牵引时机、牵引速度、频率、牵引完成后维持固定时间等基本概念和原则〔2，3〕。然而，颅颌面骨因其特殊的骨膜成骨来源与复杂的组织及解剖结构、形态特点而必须使用专用的骨牵引延长器。照搬矫形外科中有关器械使用与拆除时机概念可能不妥。有关报道中对此问题或重视不够或观点差别较大〔4，5〕；因此，解决临床关心的延长器使用方法及拆除时机问题显得尤为重要。本实验旨在基于生物力学分析、骨密度检查与组织学观察基础上探讨这一问题。
1 材料与方法
1.1 动物实验与分组
西安本地犬8只，雌雄不限(第四军医大学西京医院实验外科提供)，分A、B两组。A组行单侧下颌骨牵引延长，B组行双侧下颌骨延长。器械采用自制的MS-1型内置式下颌骨骨牵引延长器。器械使用及手术方法见参考文献〔6,7〕。术后第8天开始加力，延长1 mm/d，1次/d。A、B两组各有2只延长10 mm，2只延长20 mm。达到延长量之后，维持牵引器原位固定，分别于固定3周，5周取材。
实验样本最后分3组在下颌骨取材，进行组织学、生物力学、骨密度仪检查。其中A组的非手术侧下颌骨作为正常对照组。延长之下颌骨以牵引后固定时间不同而分为：3周组、5周组。
1.2 骨生物力学及骨密度检查方法
取材下颌骨剥除软组织，用QDR-2000型双光能X线骨密度仪分别测量全下颌骨，区域骨质及区域皮质骨骨矿含量、相对骨密度。用仪器自带的标准密度台校准，采用腰椎区域分析软件计算，结果经计算机分析输出。
样本下颌骨除少量取材行常规组织学处理外，其余均-20 ℃冰箱保存待统一处理如下：新成骨区及其周围的皮质骨用机械加工的方法，喷水降温下铣、车成两种规格的试件，细长杆件( 30 mm×6 mm×2 mm)；短杆件(6 mm×4 mm×2 mm)。每例动物可各获得两种规格的3～4个试件，选其中2件测试，结果合并计算。
用Instron电子拉伸实验机(2 000 kg)分别压缩及弯曲试件，改进夹具及压头，加载速度为0.5 mm/min，满程载荷2 kN(压缩)、200 N(弯曲)、跨距20 mm。函数记录仪记录结果。纸基应变片(1 mm×2 mm)，802胶粘贴，接应变仪。用千分尺测量实验前后的试件尺寸，计算各实验组下颌骨骨皮质的各项力学参数，结果统计分析。其中弯曲应力σ=M/W(M为弯距，W为截面抵抗距)；压缩应力σ=P/A(P为压载，A为截面积)。
2 结 果
2.1 生物力学方法测定新骨皮质极限弯曲载荷，极限弯曲强度，弹性模量结果如表1、表2。
表1 各实验组压缩时力学参数 (
±s) 类别n
极限载荷(N)
极限强度(MPa)
弹性模量(GPa)
泊松比
3周组
4
899.5±59.41
106.5±18.79
2.20±0.2830
0.4157±0.1211
5周组
4
1235±49.22
129.8±1.89
3.18±0.5818
0.5526±0.0292
对照组
4
1497±97.09
131.8±4.18
3.26±0.8380
0.2395±0.0101
表2 各实验组弯曲测试力学参数 (
±s) 类别n
极限载荷N
极限强度 MPa
极限挠度mm
P
3周组
4
45.35±7.41
5.77±1.41
0.71±0.17
<0.05
5周组
4
120.5±10.13
10.78±0.51
1.06±0.26
>0.05
对照组
4
122.3±17.2
12.01±1.04
0.96±0.37
经t检验，3周组与对照组在极限载荷、极限强度、弹性模量方面均存在显著性差异，P<0.05，而5周组与对照组相比各参数间均无显著性差异，P>0.05
经分组配对t检验；3周组与对照组及5周组各参数间均存在显著性差异(P<0.05)。而5周组与对照组各参数间均无显著性差异(P>0.05)。
2.2 根据生物力学检查结果分别绘制骨试件在3点弯曲实验及压缩实验中载荷挠度曲线载荷位移曲线，及压缩中的应力应变曲线：
从以上图表可以发现，下颌骨牵引完成后经过3周固定期时，其新生骨皮质的抗压及抗弯曲载荷分别达到正常对照组的 60.08%、37.08%、而其极限抗压强度及抗弯曲强度则分别达到对照组的81.68% 、48.04%(P<0.05)。经过5周固定时其极限抗压、抗弯载荷则分别达到正常对照组的82.50%、98.53%，而其极限抗压及抗弯强度则分别达到对照组的98.5%、89.76% (P>0.05)。压缩实验中测得的弹性模量显示3周、5周分别达到正常对照组的67.71%、97.55%(P<0.05)。
从载荷位移曲线、载荷挠度曲线及应力应变曲线可以看出新成骨材料性质类似于正常对照组的骨 皮质，即具有粘弹性材料的特征。比例极限、屈服极限较难于把握。因而未予给出。
2.3 骨密度测量结果如表3，其中新成骨骨矿含量(BMC)；骨密度(BMD)(n=4)。经配对t 检验，各组之间均存在显著性差异(P<0.05)。其中3周组与5周组的新成骨骨密度分别达到正常对照组的59.4%、113.5% 。
图1 新成骨骨试件压缩时载荷位移曲线 图2 新成骨骨试件压缩时应力应变曲线
图3 三点弯曲时新成骨骨试件载荷挠度曲线 图4 各实验组抗压强度比较
表3 骨密度测量结果 (
±s) 类别n
BMC(g)
BMD(g/cm2)
3周组
4
1.19±0.033
0.348±0.062
5周组
4
1.28±0.114
0.665±0.071
对照组
4
1.49±0.320
0.586±0.025
3 讨 论
骨牵引延长后何时拆除固定的问题在矫形外科研究领域争议较大〔4，8〕。由于病因、采用的器械、延长的骨量不同，差别在1年以上。而判断拆除固定时机的客观依据是定期X线摄片检查，结合骨折愈合来确定。由于频繁的X线检查可能影响患者身体健康及骨折愈合，因此有学者尝试了超声检查，定量CT检查以取代X线。结果虽有一定的优点，但步骤烦琐难以临床普及〔5,9〕。
颅颌面外科使用骨牵引延长技术时间较迟，有关固定拆除时机的问题很少见到报道。临床应用尚处于摸索阶段。本研究希望通过生物力学实验，测定牵引延长骨的材料力学性能以给出一个标准的固定拆除时机作为临床参考。
骨皮质在下颌骨骨质结构、功能作用中占主要位置。尤其是下颌骨体部存在着沿咀嚼应力分布的骨小梁结构——牙力轨道，其力学作用已被广泛认可。作为咀嚼功能的主要承载结构，骨皮质的材料参数特性在其功能评价中有着重要作用，同时骨皮质具有可机械加工的优点。应用生物力学分析骨材料性质的研究早在多年以前就开始了；这也是本研究中将皮质骨作为生物力学测试对象的主要原因〔10,11〕。
在犬下颌骨骨牵引延长实验中，皮质骨的抗弯曲、压缩性能在经过5周固定时其力学参数同正常对照组已无显著性差异，极限抗压强度与抗弯强度分别达到对照组的89.76%、98.5%。而在3周组中则有明显区别，为对照组的81.68%、48.04%。表明：固定5周时可以考虑拆除器械。而固定3周时间则有一定再骨折危险。从结果来看我们认为固定4周可能已经可以满足咬合功能的要求了；但是，由于本实验未对固定4周组进行检查因而仍然有待证实。
Costantino在下颌骨牵引延长2.5 cm经1年后检查，新成骨抗压强度达到正常组的77.5%±5.7%与本实验结果相近，但无法比较。Kourosh在牵引延长羊下颌骨后，经固定20 d时其新成骨三点弯曲极限载荷为190 N/m，达到对照组的32%，其实验结果也与本实验结果(37%)一致〔5,9〕
实验测得的抗压强度、抗弯强度值，弹性摸量与有些报道有差异，可能是测试条件不同的原因。因骨质试件加工方式、干燥程度、骨试件的加载方向均对结果有影响，因此实验组间比较更有意义〔9〕。
本实验采用了沿颌骨长轴方向的压缩，垂直于颌骨长轴方向的弯曲为加载模型，更加拟合自然条件下下颌骨骨应力状态，有一定的代表性。对临床应用有一定参考意义。
有学者对器械固定时螺钉孔对骨质力学性能的影响问题也作了研究，结果表明临床医生关心的所谓应力集中、应力屏蔽效应，在螺钉孔处不足以造成骨强度的减弱，这也为早期拆除牵引器提供了支持。早期拆除器械将有助于骨质的进一步功能性改建，对于促进新骨成熟具有积极作用〔12〕。
总之，采用生物力学及骨密度分析方法对牵引延长的新成骨下颌骨骨质进行了分析。认为，牵引后固定时间在5周时拆除器械比较可靠、安全；部分患者可考虑在拆除牵引器后继续采用单颌夹板固定6～8周，以使新成骨进一步矿化成熟。
本研究得到军队指令性课题资助(96L047)
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收稿：1999-11-23
修回：2000-01-03