Прогрессивная нагрузка на кость: зона контакта «кость-имплантат»

Хирургический и протезный протоколы создания предсказуемого прямого контакта «кость-имплантат» при установке корневидных имплантатов были разработаны и опубликованы Branemark и соавт. В течение первого года после формирования начального прямого контакта «кость-имплантат» и подтверждения этого во время операции II стадии после заживления имплантат имеет самый большой риск несостоятельности или потери крестальной кости. Это происходит в основном из-за чрезмерного стресса или недостаточной прочности кости в зоне контакта во время раннего нагружения имплантата. Если план лечения обеспечивает адекватную поддержку, тремя наиболее частыми причинами ранней протезной несостоятельности являются непассивные супраструктуры, частичная потеря ретенции реставрацией и нагрузка на систему имплантационной поддержки выше предела прочности контакта «кость-имплантат». Root Laboratory приводит данные, что 5,9% имплантатов были потеряны во временном интервале между снятием конечного слепка и начальной установкой протеза. Jaffin и Berman, Jemt и соавт., Friberg и соавт. сообщили о ранней несостоятельности имплантата в более чем 35% случаев (особенно при неудовлетворительном качестве кости) после успешного хирургического заживления имплантата. Zarb и Schmitt сообщили о несостоятельности на ранних стадиях нагрузки примерно у 3,3% пациентов с полным отсутствием зубов на нижней челюсти и хорошим качеством кости. Naert и Quirynen наблюдали 2,5% случаев несостоятельности при ранней нагрузке у частично адентичных пациентов. По данным Sullivan и соавт., поздняя несостоятельность была обнаружена в 7% случаев при установке протезов с опорой на имплантаты верхних челюстей и в 1,4% – нижних челюстей, это произошло после того, как при тестировании с противовращением во время раскрытия (II стадии) было выявлено 4,4 и 3,2% (в среднем 3,8%) случаев несостоятельности имплантата верхней и нижней челюстей соответственно. Salonen и соавт. сообщили о показателе несостоятельности 3,9% в исследовании 204 имплантатов.

Автор в 1980 г. на основании эмпирической информации первым предложил концепцию прогрессивной или постепенной нагрузки на кость во время протезной реконструкции для уменьшения потери крестальной кости и ранней несостоятельности эндостального имплантата. В течение последующих лет эта концепция была оценена и модифицирована, чтобы инкорпорировать в нее временные интервалы, диету, окклюзию, дизайн протеза и окклюзионные материалы. Misch и соавт. сообщили о 364 последовательно установленных у 104 пациентов имплантатах с показателем выживаемости 98,9% на стадии раскрытия, которые затем подвергались действию прогрессивной нагрузки. Исследование не обнаружило ранней несостоятельности ни одного из этих имплантатов во время первого года функционирования. В более недавнем сообщении авторы при водят данные о том, что они не наблюдали случаев ранней несостоятельности при нагрузке в течение 5-летнего периода в исследовании 453 имплантатов и 131 протеза в задней части верхней челюсти, при этом использовались дизайн имплантатов, основанный на плотности кости, и прогрессивная нагрузка на кость. Kline и соавт. сообщили о 99,5% показателе успеха через 5 лет для 495 имплантатов при аналогичном подходе к плану лечения.

Закон Вольфа гласит: «Каждое изменение формы и функции кости или одной только функции сопровождается определенными точными изменениями ее внутренней архитектуры и точными эквивалентными изменениями ее наружной конформации в соответствии с математическими законами». Этот феномен происходит во всей скелетной системе, о чем свидетельствует 15% уменьшение объема кортикальной кости и интенсивная потеря трабекулярной кости, при иммобилизации на 3 мес.. Сообщается также об уменьшении кортикальной кости на 40% и трабекулярной кости на 12% как реакции на бездействие.

Генерализованная потеря объема и плотности кости происходит в области потерянного зуба вследствие уменьшения микронапряжения в кости. Уменьшение плотности кости в челюстях связано с длительностью времени, в течение которого область была без зубов, первоначальной плотностью кости, прикреплениями мышц, кривизной кости и ее вращением, парафункцией до и после потери зубов, гормональным влиянием и системными заболеваниями. Orban показал уменьшение объема трабекулярной кости вокруг верхних моляров, которым не противолежат зубы-антагонисты в сравнении с зубами с окклюзионными контактами. McMillan и Parfitt сообщили о структурных характеристиках и трабекулярных опциях в альвеолярных областях челюсти. Четыре различных по плотности типа кости были выявлены в челюстях, и эти типы соотносились с законом Вольфа.

Кость отвечает как на гормональное, так и на биомеханическое влияние. Даже в случаях, когда существует огромная потребность в кальции (главный объект гормональной регуляции), функциональная нагрузка может полностью сохранять массу кости. Кость также способна реагировать увеличением плотности на рост уровня стресса, если он находится в физиологических пределах. Dahlin и Olsson сообщают об увеличении как толщины кортикальной кости, так и общей доли минералов под действием стрессовых раздражителей. Деформация альвеолярной кости под действием механических сил связана с толщиной костной пластинки. Предотвратить потерю кости можно за счет физической нагрузки. Клиническое обследование подтверждает увеличение объема трабекулярной кости и толщину кортикальной пластинки у пациентов с естественными зубами и парафункцией.

Frost предположил, что масса кости является прямым результатом механического использования скелета. Он преобразовал схему механической адаптации, связав незначительную и физиологическую нагрузки, перегрузку и патологическую нагрузку с величиной микронапряжения. Его исследования показали увеличение массы кортикальной кости, связанное с напряжением, приложенным к кости. Фактическое напряжение, воспринимаемое костной тканью, активирует цепную реакцию, которая приводит к биологическому ответу. Костные клетки и экстрацеллюлярная матрица чувствительны к напряжению, и каждая из них играет важную роль в создании контакта. Cowin и Hegedus предложили потенциальные механизмы, посредством которых костные клетки чувствуют механическую нагрузку. Они предположили, что напряжение на уровне клетки почти в 10 раз больше напряжения на уровне ткани. Потенциальные клеточные механизмы могут включать деформацию мембраны, внутриклеточное и внеклеточное действие.

Обзор литературных источников, в которых приводятся данные лабораторных и клинических исследований, показывает, что динамическая или циклическая нагрузка необходима, чтобы вызвать значительные метаболические изменения в популяции костных клеток. Чем больше скорость изменения величины приложенного к кости напряжения, тем больше ускоряется формирование кости. Эффект приложенного к кости напряжения определяется не только скоростью изменения, но также исходной величиной нагрузки и направлением ее действия. Циклическая нагрузка необходима, чтобы вызвать значительные метаболические изменения в популяции костных клеток. Более низкие по величине нагрузки, действующие в течение многих циклов, могут вызвать такой же анаболический эффект, как и большие нагрузки, действующие в течение ограниченного числа циклов. Следовательно, ряд клинических состояний могут приводить к эквивалентному увеличению плотности кости.

Многочисленные исследователи получили данные in vitro для определения прямой взаимосвязи между модулем эластичности, структурной плотностью и пределом прочности кости. О прочности трабекулярной кости челюстей, связанной с этими состояниями, сообщил Qu и соавт.. Прочность кости напрямую связана с ее плотностью, при этом кость типа D1 в 10 раз устойчивее к стрессам, которые вызывают микроперелом, чем кость типа D. Следовательно, увеличение плотности кости вокруг имплантата увеличивает ее прочность, что в свою очередь помогает избежать потери крестальной кости и несостоятельности имплантата. Bidez и Misch методом анализа конечных стрессовых элементов в трех плоскостях исследовали пациентов с объемом кости А, В и C-w. Кость каждого пациента состояла из кортикальной и трабекулярной ткани с 4 макроскопическими видами плотности:

• 01 (100%);

• 02 (75%);

• 03 (50%);

• 04 (25%).

Отмечалась корреляция между прочностью и плотностью кости. Клиническая несостоятельность была математически предсказана для всех образцов костной ткани вида 04 и двух – 03 в зависимости от объема кости. Следовательно, обзор литературных источников в области стоматологии, посвященных вопросам несостоятельности, и в области ортопедии, посвященных ремоделированию кости, костной механике челюстей, и исследования методом анализа конечных элементов свидетельствуют о возможности и необходимости прогрессивно нагружать кость для повышения ее прочности.

Зона контакта «кость-имплантат»

Биомеханика окружающей среды играет важную роль для качества и композиционного результата формирования контакта «кость-имплантат». При нагрузке кость ведет себя и как структура с определенными материальными и архитектурными свойствами, и как биологическая система. Функциональная нагрузка имплантата оказывает дополнительное биомеханическое воздействие, которое в значительной степени влияет на созревание кости. Компьютерная оценка установленных имплантатов с помощью анализа цифровых субтракционных рентгенограмм и интерактивной системы «образ-анализ» показывает увеличение плотности периимплантационных костных структур в течение периода от 6 мес. до 4 лет после того, как имплантат был установлен. Главные изменения конденсации кости вокруг имплантатов происходят в первые 2 года после установки. Увеличение плотности кости в основном отражает местные факторы стресса, и эндостальные имплантаты являются главным методом изменения напряжения и увеличения плотности кости в челюстях без зубов.

Гистологические типы кости, находящейся в контакте с имплантатом, различаются и могут влиять на величину стресса, который кость может выдерживать в физиологических пределах. Постоянно нагруженные имплантаты остаются стабильными в кости, если формирование костной ткани происходит в областях под давлением и с ориентацией трабекул, соответствующей линиям стресса. Идеальной костью для имплантационной протезной поддержки является пластинчатая кость. Она высокоорганизована, но ей нужен примерно 1 год для полной минерализации после травмы, вызванной установкой имплантата. Волокнистая кость в первую очередь и наиболее быстро формируется в зоне контакта с имплантатом. Однако она только частично минерализована и имеет неорганизованную структуру, способную в меньшей степени выдерживать полномасштабный стресс. Через 16 нед. окружающая кость минерализована на 70%, и в ее состав все еще входит волокнистая костная ткань. Компьютерные рентгенографические денситометрические исследования подтверждают, что зона контакта «кость-имплантат» уменьшается в течение первых нескольких месяцев после установки имплантата. Процент минерализации кости и тип окружающей кости влияют на то, находится ли нагрузка на зону контакта «кость-имплантат» в физиологических пределах.

Самый большой стресс вокруг жестко зафиксированного имплантата действует в области гребня. Преждевременная или чрезмерная функциональная нагрузка может привести к развитию чрезмерного стресса в системе и вызвать резорбцию кости в этом регионе. Исследование, проведенное Мisch, обнаружило, что потеря крестальной кости после успешной остеоинтеграции напрямую связана с плотностью кости. Стресс, действующий на имплантат, также может привести к его несостоятельности, если он превышает физиологические пределы для плотности кости, находящейся вокруг имплантата. Поскольку кость реагирует на физиологические силы, постепенное увеличение нагрузок вокруг протеза стимулирует увеличение плотности. Вгапетагк и соавт. показали развитие более плотных трабекул вокруг прогрессивно нагружаемых имплантатов у животных. Еще одна группа исследователей провела гистологическое и гистоморфометрическое исследование реакции кости на нагруженные и ненагруженные одиночные имплантаты у обезьян. Самые мягкие типы кости потеряли больший объем костной ткани, чем более плотные. Следовательно, увеличение плотности костной ткани в зоне контакта «кость-имплантат» может уменьшить потерю крестальной кости. Контакты с костной тканью 6 имплантатов – 3 нагруженных и 3 ненагруженных – были оценены через 15 мес. Вокруг нагруженных имплантатов формировался более объемный слой пластинчатой кортикальной костной ткани по сравнению с ненагруженными. Большое увеличение плотности и объема костной ткани наблюдалось в крестальной области вокруг нагруженных имплантатов. Имплантаты, вызывающие изменение действующей в окружающей среде нагрузки, ускоряли трабекулярный рост и упорядочивание компонентов ткани в костномозговом пространстве.

Appleton и соавт. оценили изменения в костных тканях вокруг имплантатов в ответ на прогрессивную нагрузку на кость. Рандомизированное контролируемое клиническое исследование было спланировано таким образом, чтобы определить эффективность прогрессивной нагрузки, действующей на коронки одиночных имплантатов премоляров верхней челюсти. В пилотном исследовании 13 цилиндрических имплантатов, покрытых гидроксиапатитом, были установлены 10 пациентам. В контрольной группе реставрация металлокерамической коронкой была осуществлена сразу после 6-месячного погруженного заживления. В экспериментальной группе к акриловой коронке была приложена прогрессивная нагрузка. Постепенный рост величины нагрузки (за счет усиления окклюзионного контакта при добавлении объема акрила в каждый промежуток времени) происходил в течение 3 двухмесячных периодов. Проводили анализ цифровых изображений и данных цифровой субтракционной рентгенографии об изменении объема потери крестальной кости и плотности костной ткани вокруг имплантата. Средняя потеря крестальной кости вокруг имплантатов, на которые действовала прогрессивная нагрузка, была:

• 0,13±0,05 через 2 мес.;

• 0,18±0,10 через 4 мес.;

• 0,24±0,12 через 6 мес.;

• 0,32±0,16 через 12 мес.

В контрольной группе этот показатель был равен:

• 0,31±0,08 через 2 мес.;

• 0,35±0,13 через 4 мес.;

• 0,41±0,22 через 6 мес.;

• 0,47±0,47 через 12 мес.

Ранние результаты этого пилотного исследования позволяют предположить, что потеря крестальной кости уменьшается при действии на имплантат прогрессивной нагрузки.

Макроскопические данные об объемах кости разной плотности показывают существование разницы объемов кортикальной и трабекулярной кости. Как результат, фактический объем кости в области ее начального контакта с поверхностью имплантата зависит от плотности костной ткани. В кости типа 04 примерно 25% поверхности имплантатов могут находиться в контакте с костной тканью, 03 – 50%, 02 – 70% и 01 - около 80%. Больший костный контакт улучшает распределение силы и уменьшает стресс, действующий на любую область тела имплантата. Следовательно, сходные нагрузки, действующие на кость различной плотности, могут привести к разным адаптивным реакциям или несостоятельности.

Прогрессивная нагрузка более важна для типов кости с меньшей плотностью, потому что они в несколько раз менее прочные, чем типы со значительной долей кортикальной костной ткани. Парафункции, консоли и другие факторы, увеличивающие стресс, могут привести к росту силы, действующей на протез, а также ее поперечно-сдвигающих компонентов и вызвать микроперелом кости или микронапряжение вокруг имплантата, значение которого будет соответствовать патологической зоне перегрузки. Прогрессивная нагрузка кости направлена на увеличение ее плотности, уменьшение риска несостоятельности зоны контакта «кость-имплантат» и снижение потери крестальной кости.