上颌窦三维成骨模式构建

    上颌后牙区的种植修复是临床种植修复中的难题。牙齿缺失后上颌后牙区由于其特殊的解剖结构，上颌窦气化以及缺乏生理性刺激等原因，往往吸收明显从而难以获得充足骨量。目前，上颌窦底提升是解决上颌后牙区垂直向骨量不足的关键技术，在临床上得到了广泛的应用。
    上颌窦底提升旨在通过将上颌窦底部向上重新定位来增加上颌后部剩余骨高度，以适应功能性牙种植体的植入，并将骨增量材料填充至上颌窦骨底和施耐德膜（Schneiderian membrane）之间。上颌窦底提升后的成骨机制一直是学者关注的问题，已成为目前研究热点。本文首次提出上颌窦“窦底牙槽嵴骨壁-施耐德膜-种植体表面”三维成骨模式，并对相关位置的成骨潜力以及骨增量材料的促进作用进行阐述，为更好地认识三维空间成骨理论提供参考。
    1.经典上颌窦成骨模式
    1）一维成骨模式：
    经典理论认为牙槽嵴骨壁和上颌窦窦底骨板是新骨形成过程中间充质干细胞的主要来源。Falah等的研究中观察到在上颌窦底骨板和黏膜周围有着相似的新骨形成，表明二者均是骨祖细胞来源。同时，还有研究发现上颌窦骨壁与骨增量材料接触越多，新骨形成量越多，由此证明上颌窦骨壁在一维成骨中起到重要作用。
    2）二维成骨模式：
    随着上颌窦底提升在种植领域的发展﹐施耐德膜的成骨潜能也受到越来越多的关注和研究，施耐德膜联合窦底牙槽嵴骨壁的二维成骨模式也逐渐形成。施耐德膜是一个潜在的成骨细胞来源，适当的刺激因子可以诱导施耐德膜的成骨性能，外窦表面的早期皮质化可以保护窦底提升空间，为诱导移植区域的骨形成提供合适的环境。同时施耐德膜剥离后创伤的上颌窦壁刺激周围骨祖细胞聚集，有利于移植材料的血管长入和新骨形成。
    Srouji等通过在动物模型中模拟上颌窦底提升的体内临床状况，评估了施耐德膜的固有成骨能力。结果表明，随着上颌窦底的提升，施耐德膜的骨膜样层与骨壁剥离，在高度血管化的施耐德膜下形成血凝块及纤维蛋白支架，有利于毛细血管的长入以及骨祖细胞的吸附及分化，为骨修复提供了天然支架。
    Cricchio等将由可吸收材质制成的空间维持装置置于提升的施耐德膜底部，组织学发现，在上颌窦中心存在骨髓样组织，包括疏松的结缔组织和接近形成小梁的血管、脂肪细胞和造血细胞。Srouji等进行体内以及体外实验，来评估人上颌窦施耐德膜的成骨潜力。结果表明，施耐德膜细胞可被诱导表达碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）、骨形态发生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）、骨桥蛋白（osteopontin，OPN）、骨连接蛋白（osteonectin，ON）和骨钙素（osteocalcin，OCN），并使其细胞外基质矿化。
体内实验进一步证明了施耐德膜细胞的固有成骨潜力。同时，有研究证实，施耐德膜间充质干细胞（sinus membrane derived mesenchymal stem cells，SMMSCs）可以通过增加其成骨分化来响应BMP-2、BMP-6和BMP-7，进一步促进成骨诱导。
    随着种植CBCT在临床的广泛应用，上颌窦的解剖形态也逐渐被重视，形态的差异也会引起新骨形成总量的不同。一项多中心前瞻性研究在临床和组织学上分析窦腔尺寸对行穿牙槽嵴上颌窦底提升后新骨形成的影响。结果表明，窦腔颊腭侧宽度<12 mm的患者术后新骨形成比例最高，为36%，1年随访后窦腔较窄的种植体植入的成功率更高。
    Lombardi等也得出了相似的结论。数据分析表明，穿牙槽嵴上颌窦底提升术6个月后，窦腔颊腭宽度与新生骨数量之间存在很强的负相关，窦腔越宽组织形态学分析中观察到的新骨百分比越低。若窦腔较大成骨来源仅局限在从窦底分离的施耐德膜，骨祖细胞和血液供应较缺乏，细胞定植和新骨形成过程就会较慢。
    上颌窦颊腭侧骨壁在窦底形成的夹角即上颌窦角度，其直接影响上颌窦底提升的手术难度以及新骨形成量。郑小菲等则从上颌窦角度大小进行研究，结果显示，上颌窦角度与种植体根端骨吸收之间也呈现正相关关系，说明上颌窦颊腭侧骨壁之间的角度越大，骨吸收量越多，越不利于新骨的形成。上颌窦角度小时，颊腭间的水平距离短，血供更加充足，成骨细胞迁移所需时间更短，因此成骨速度加快，新骨形成量较多，骨吸收量较少。
    上颌窦底施耐德膜的屏障和成骨双重功能，阻止了软组织上皮细胞和纤维细胞的进入，形成了类似于引导骨组织再生的成骨反应空间，可以为保证种植体植入后的初始稳定性提供解剖学基础。虽然施耐德膜具备自发成骨潜力且窦腔内存在血凝块可提供纤维蛋白支架，但由于窦腔内的组织不足以支撑提升的空间，施耐德膜顶端的塌陷可阻碍其与下方血凝块的稳定接触，从而限制了新骨形成。
    同时，施耐德膜被剥离后，周围骨壁暴露，新骨形成从骨壁开始，向中心发展，靠近窦壁的骨形成更快，而中心部位成骨较慢且效果较差。为解决这一限制，笔者提出“窦底牙槽嵴骨壁-施耐德膜-种植体表面”的“上颌窦三维成骨模式”（3-dimensional osteogenesis model for maxillary sinus，3D-OMMS）。
    3）三维成骨模式：
    随着研究的不断深入，上颌窦底提升后的成骨模式已逐渐被探索为“窦底牙槽嵴骨壁-施耐德膜-种植体表面”三个位置同时进行的成骨模式，即3D-OMMS。通过调动机体上颌窦所具备的解剖组织学资源，以及种植体资源，成为未来的成骨发展方向。3D-OMMS通过调动窦底牙槽嵴骨壁成骨潜力，血管化施耐德膜的成骨潜力，以及种植体表面的促进成骨作用，实现血管化成骨，提高成骨质量和速度；三个位置同时向上颌窦腔隙内进行成骨，形成了三维成骨空间，缩短了成骨路径，增加新骨骨量，从而缩短患者的愈合周期，为解决上颌后牙区骨量不足的种植临床决策提供参考价值。
    如何提高种植体与骨组织的结合率和整合速度一直都是口腔种植研究的焦点。众所周知，种植体的骨结合分为四个时期：①在植入24小时内，血液中的血小板及蛋白、免疫细胞聚集于种植体表面，种植体达到初始稳定；②随后的4天内，新生血管形成为种植体的骨形成提供营养；③第4周时，成骨细胞在种植体表面发生接触成骨，在宿主骨表面发生距离成骨；④随后在第8～12周，种植体周围骨界面完全被成熟的层状骨替代，直接连接种植体和宿主骨，完成骨结合过程。
    在种植体和骨组织界面，关于骨结合的机制有两个理论，分别为“远处成骨（distance osteogenesis）”以及“接触成骨（contact osteogenesis）”。骨结合应同时考虑种植体表面的接触成骨，以及种植体相邻局部骨组织的距离成骨上的同步新骨附着。骨结合的质量和效率在很大程度上取决于接触成骨。种植体经过表面改性或化学修饰后，骨组织可以直接在种植体表面沉积，诱发接触成骨并加速骨结合，而此时，距离成骨只需要含生长因子的血液供应即可，例如BMP-2。
    故在3D-OMMS中，结合施耐德膜的特殊结构及促进成骨的生物学功能，接触成骨与距离成骨相辅相成、共同进行。研究表明，优秀的种植体表面能够使得骨骼与种植体之间建立出色的功能和结构连接，从而提高了种植体的固有稳定性。同时增强种植体表面与骨骼的互锁作用，并显示出其可促进体外成骨细胞的分化。
    2.种植体微粗糙表面改性在3D-OMMS中的作用
    目前研究已表明，粗糙的种植体表面能够提高成骨细胞的迁移和增殖，有利于骨结合。种植体表面处理总体可分为物理性表面处理、化学性表面处理及生物性表面处理。从最早的Brånemark机械加工的种植体表面，到经过喷砂和酸蚀处理的微粗糙表面，再逐渐发展至对微粗糙的表面进行化学修饰的活性亲水表面。通过改变种植体表面特性，来调节细胞黏附及间充质干细胞和前成骨细胞向成骨细胞分化，使其在临床中充分发挥在3D-OMMS中的作用。同时有研究显示种植体不同的表面特性对血管生成也可产生影响。
    钛植入物的表面微/纳米形貌和理化特性是影响骨结合的关键因素，在骨反应的可预测性中起着关键作用，并且是种植体骨结合率和程度的主要决定因素。宏观的表面形貌可以通过直接骨与植入物接触和抵抗钛表面上施加的负荷来增加骨结合，进一步的纳米级表面修饰则可通过直接（细胞-细胞表面相互作用）和间接（蛋白质-蛋白质表面相互作用）机制影响成骨细胞的黏附、运动和增殖。其中大颗粒喷砂加酸蚀（SLA）表面处理已成为钛合金口腔科植入物的标准之一，可实现种植术后快速初期愈合和骨结合。
    Wall等研究发现，接种于SLA表面培养的人间充质干细胞（human mesenchymal stem cell，hMSC）表现出与光滑表面上完全不同的细胞形态，在SLA表面接种3小时后细胞呈现特征性的星形形状，并且细胞延伸到周围的微凹中，接种24小时后细胞扩大并且呈多边形，并且在形态上具有更高分化度。同时有研究表明，破骨细胞处理的骨片表面与SLA的表面在粗糙度以及微观形貌上高度相似，10年研究已表明SLA种植体有利长期成功率。
    OlivaresNavarrete等发现相对于光滑纯钛表面，在SLA表面上的间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）的成骨分化能力更强，碱性磷酸酶（ALP）、转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）、OCN、骨保护素（osteoprotegerin，OPG）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表达水平的明显提高。Li等通过对SLA种植体的体内体外成骨研究，也得出了相似的结论。SLA钛表面赋予纳米结构、粗糙度和润湿性的纳米尺度修饰可以显著改善骨髓间充质干细胞（bone marrow stem cells，BMSC）生物学行为以及在支架表面的成骨作用。
    目前有研究致力于应用生物活性成分对SLA种植体表面进行进一步改性，从而增强骨愈合能力，诱导早期的新骨形成，同时增加种植体的耐腐蚀性，在骨-植体交接处实现长期的生物稳定性。Park等应用湿化学处理方法，将锰离子引入SLA钛种植体表面。结果表明，经处理后的SLA种植体表面保留了原始微米级复杂表面形貌，表现出了更好的耐腐蚀性，同时增强了与成骨相关的MSC功能，并促进了hMSCs在SLA植入物表面的成骨分化。
    3.种植体表面亲水改性在3D-OMMS中的作用
    众所周知，种植体周围骨愈合的过程中，一个重要步骤是形成纤维蛋白血凝块，来充当细胞迁移的桥接支架。亲水性是种植体表面重要的性质之一，对种植体的骨愈合特性主要体现在四个方面：蛋白质和其他大分子在表面上的黏附、硬组织和软组织细胞与表面的相互作用、细菌黏附和生物膜形成以及骨结合率。
    与疏水表面相比，亲水表面可改善MSC形态，促进成骨细胞成熟、局部因子的表达和矿化程度。研究表明，超亲水表面上MSC与成骨细胞的晚期分化标志物和局部因子骨保护素协同高表达，相关转录因子RUNX2、基因OCN和DKK2以及整合素ITGA2和ITGB1的mRNA高表达，有利于MSC的成骨细胞分化，同时与SLA表面相比，具有亲水表面种植体在植入后7天的基因表达可诱导促进新骨和血管生成。
    有研究通过体外实验来评估市场不同表面改性种植体的巨噬细胞炎症反应以及MSCs的成骨分化能力。结果表明，亲水表面种植体可显著诱导MSCs的成骨分化，提高成骨相关因子的表达，同时巨噬细胞产生的抗炎因子水平较高，通过抑制炎症反应进一步促进新骨形成。Alayan等评估了在绵羊上颌窦底提升中应用无机牛骨基质+自体骨后同期或延期植入SLA或SLActive种植体的骨-种植体接触率，结果表明SLActive种植体促进了上颌窦内的骨增量，新骨的成熟度更高[。Ko等的1年随机对照临床试验表明，亲水种植体表面的边缘骨吸收水平显著小于非亲水表面，边缘骨表现出较高的稳定性，同时不伴有并发症。
    在过去的几年中，一种含有纳米级羟基磷灰石（HAnano）被用于涂覆在已知生物反应的钛植入物表面，采用纳米技术模拟骨骼形态，赋予种植体表面超亲水性，同时能够吸附血液成分，因此有利于细胞性能，并通过促进原位成骨来加速骨结合。Da Silva等将SLA表面种植体与HAnano改性种植体进行对比，对接种在其上的成骨细胞的生物学行为进行评价。结果显示，HAnano通过与细胞外基质蛋白的动态相互作用，促进了成骨细胞的黏附及扩散，激活了位于细胞膜内整合素的表达。
    随着钙和磷酸盐的释放，有望进一步促进MSC的成骨分化潜力。因此，具有亲水表面的种植体能够促进与其接触的骨膜细胞与施耐德膜来源干细胞在种植体表面的附着、扩散、增殖和成骨分化，同时缩短了成骨细胞的迁移路径，为3D-OMMS提供了理论及临床依据。
    4.组织工程材料在3D-OMMS中的应用
    骨再生的成功包含4个主要影响因素：创口的初期愈合、血管形成、干细胞迁移以及空间维持。上颌窦底提升结合骨增量材料的结合应用，可为成骨提供支架，进一步促进3D-OMMS。目前已有不同类型的生物材料应用于上颌窦底提升，包括自体移植物、同种异体移植物、异种移植物、异体移植物以及组织工程材料。异体移植材料通常被认为是唯一的骨传导材料，单独使用或与其他移植材料混合应用于骨增量是显著有效的，植入骨增量材料可以实现更多的骨增量，有更好的成骨效果，补偿术后可能存在的体积收缩及骨吸收。
    组织工程材料的应用可避免或减轻因种植所带来的许多并发症以获得更好的临床效果。其中包括生长因子以及人自体血小板衍生物。BMP-2是转化生长因子B超家族成员之一，具有诱导未分化间充质干细胞向成软骨细胞和成骨细胞定向分化与增殖能力，通过促进成骨细胞分化成熟，加速骨缺损及修复。研究表明，重组人骨形态发生蛋白-2（recombinant human bone morphogenetic protein-2，rhBMP-2）可促进施耐德膜来源干细胞的矿化以及成骨分化，在上颌窦底提升中应用rhBMP-2，最终骨密度高于单纯自体骨移植组。
    随着医学科技的发展，血液产品由于其优良的生物学特性而在“组织工程”技术中得到广泛的应用。其中，富血小板纤维蛋白（platelet-rich fibrin，PRF）近年来已被广泛应用于口腔医学领域。
    PRF是第二代自体血小板富集物，具有独特的纤维结构与机械强度，富含白细胞、纤维蛋白及多种生长因子，既可作为细胞支架材料又兼具缓释多种生长因子的特征，具有源于自体、成骨作用好、制备方法简单、成本低廉等优点。PRF中无细胞部分可见纤维蛋白中纤维束规则排列，呈现三维网状交叉结构；有细胞部分中的纤维网络中容纳着大量的红细胞和表面多突起呈球形的白细胞。多项研究表明，PRF是一种新型的、安全的自体组织移植物，可有效促进骨再生，减少边缘骨丧失。
    Pichotano等的一项随机临床试验表明，将骨增量材料与富白细胞血小板纤维蛋白（leukocyte-and platelet-rich fibrin，L-PRF）联合应用与上颌窦底提升术后，新骨骨量显著高于单独应用骨增量材料组，促进了骨移植物的成熟，提高种植手术的成功率以及种植体的初始稳定性。Tanaka等将DBBM+PRF联合应用于上颌窦底提升中，并进行组织学观察和形态学分析，结果表明，在上颌窦底提升后，应用骨增量材料和PRF混合物能够形成稳定的新骨，骨的生长从窦底的原有骨表面向上延伸到移植区域，同时，新骨也开始向各个方向形成，构建了上颌窦腔内的三维立体成骨空间。
    PRF与成骨早期的血管化直接相关，可促进MSCs向成骨细胞转化，将其应用于上颌窦底提升中可实现早期的血管形成，为骨再生提供充足的营养，加速骨再生过程。同时，PRF可增强局部免疫力，减轻肿胀等术后反应，降低感染机率，并促进损伤神经修复再生，提高骨感知能力。
    笔者课题组于2015年开始对PRF对于施耐德膜间充质干细胞的成骨分化以及上颌窦底提升后上颌窦新骨形成的影响进行研究。研究表明，PRF通过上调ERK 1/2信号通路刺激SM-MSCs的增殖、迁移和成骨分化，PRF的应用显著加快上颌窦新骨形成的速度，增加新骨的数量和质量。同时，研究证实，在施耐德膜侧或上颌窦顶壁侧均可发现活性成骨细胞，并且从上颌窦壁到施耐德膜进行双向成骨。PRF作为自体移植材料，在联合种植体植入时更有利于调动积极因素，可为实现上颌窦底提升后的3D-OMMS提供有前景的策略。
    在术中应用方面，笔者课题组率先提出将PRF作为单独的植骨材料，采用上颌窦底内提升同期植入种植体，联合内镜辅助应用的微创术式“PESS术”。本课题组在一项前瞻性队列研究中表明，PRF作为唯一的骨增量材料应用于内镜辅助的上颌窦底内提升（PESS术）可以获得良好的临床效果，术后1年种植体的留存率为95.65%，平均提升骨高度为6.72 mm。种植体颈部、中部、根部的骨密度随时间的增加而增加。
    本课题组的另一项随机对照临床研究同样表明，相对于上颌窦底外提升，PESS组垂直骨高度显著增加，随访18个月后平均骨高度增加了7.67 mm。PRF膜与植骨材料的机械强度可在一定程度上维持术后空间的稳定，并且充分调动了各项术后影响成骨的因素，促进术后骨再生，适用于剩余骨高度和密度可保证种植体初始稳定性的情况，可取得较理想的治疗效果。
    因此对于上颌后牙区可用骨高度少的患者，为最大程度实现三维成骨，在同期植入种植体的同时，可选用自体骨、移植骨材料以及组织工程材料，并可对其进行单独或联合应用：可将新鲜的自体骨与合成材料1:1的比例进行混合，二者互补缺陷，提高成骨效率，降低骨吸收量；可单独使用PRF作为生物介质，在释放多种生长因子的同时，对施耐德膜进行支撑保护；也可将PRF与骨增量材料混合调拌进行应用，在减少组织炎症、促进骨组织血管化的同时，改善支架力学性能。
    5.结语
    上颌窦底提升是促进骨再生的经典种植外科手术，目前已广泛用于萎缩性上颌后牙区的骨增量。然而上颌窦特殊结构内的成骨机制不仅仅是单纯的传统软骨内或膜内骨化理论。随着对施耐德膜成骨潜力的研究，上颌窦成骨模式从最初的“一维成骨”，即牙槽嵴骨壁和上颌窦窦底骨板来源的MSC的成骨分化，逐渐发展至“施耐德膜联合窦底牙槽嵴骨壁”的二维成骨模式。
    在上颌窦底提升的刺激下，血管化施耐德膜内的骨祖细胞被激活，在黏附于黏膜下方血凝块的纤维蛋白结构内成熟分化，形成成骨来源。在调动上颌窦解剖资源的同时，同期植入表面改性种植体，并依据循证医学，笔者提出“窦底牙槽嵴骨壁-施耐德膜-种植体表面”的三维成骨模式，通过应用窦底牙槽嵴骨壁、施耐德膜以及种植体表面的成骨潜力，形成成骨方向多元化的三维空间，缩短传统术式下血管化成骨路径，加速成骨进程，提高新骨质量。术中植骨材料及组织工程材料进行联合应用，维持提升空间的稳定性，进而保障种植手术的成功率，并缩短患者愈合周期。
    种植治疗的主要目标是双重的，不仅是从功能、美学和语音的角度获得修复治疗，保证可预测性以及种植体的长期稳定性，同时，降低患者在愈合期间和随访期间并发症的风险。上颌窦三维成骨模式的提出，丰富了上颌窦内的成骨理论，也为上颌窦底提升提供了未来发展方向。术中与组织工程材料的联合应用，并同期植入种植体，在提高种植体留存率和手术成功率的同时，微创术式进一步缩短患者的愈合周期，提高预后，为上颌后牙区骨量不足患者的临床诊治提供新的理论基础，为指导骨再生和组织修复的临床应用提供了更多可能。