Analiza fraktalna kontaktu implantu tytanowego z kością po autotransplantacji osteointegrowanego implantu

Dynamiczny rozwój implantologii stomatologicznej wymaga ciągłego poszukiwania nowych możliwości odbudowy utraconych zębów oraz rekonstrukcji tkanki kostnej. Dostateczna ilość i jakość struktury kostnej umożliwia przeprowadzenie prawidłowego zabiegu wprowadzenia implantu i jego właściwą osteointegrację konieczną do dalszego utrzymania wszczepu w miejscu implantacji.

Pojęcie „osteointegracja” zostało zdefiniowane jako „bezpośrednie czynnościowe i strukturalne połączenie zorganizowanej żywej tkanki kostnej z powierzchnią obciążonego implantu” przez dr. Per Ingvara Branemarka w 1977 r. W trakcie swoich badań zaobserwował on zjawisko integracji tytanu do tkanki kostnej i opracował koncepcję nieobciążonego wgajania się gładkiego wszczepu tytanowego do struktur kostnych. Określił również czynniki, które są niezbędnie dla zapoczątkowania procesu osteointegracji. Są to:
 biokompatybilny materiał, z którego wykonany jest wszczep,
 atraumatyczne postępowanie podczas zabiegu chirurgicznego,
 odpowiednia temperatura kości podczas nawiercania (nie może przekraczać 47° C),
 ścisły kontakt implantu z tkanką kostną,
 brak ruchomości implantu podczas gojenia.

Podstawowym materiałem stosowanym obecnie do produkcji implantów jest tytan i jego stopy (np. z aluminium i wanadem). Zaletą tytanu jest duża wytrzymałość na złamania przy jednocześnie niskim ciężarze właściwym, biotolerancyjność i biozgodność. Tytan charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na korozję dzięki wytwarzaniu na swej powierzchni szczelnej i trwałej warstwy dwutlenku tytanu. W zewnętrznej warstwie tlenków odkryto obecność fosforanów wapnia dzięki wiązaniu minerałów i płynów tkankowych z otoczenia. Badania wykazały, że pomiędzy warstwą tlenków tytanu a tkanką kostną istnieje przestrzeń, w której znajdują się glikoproteiny pośredniczące w procesie przyłączania kostniny do warstwy tlenków. Umożliwia to nawarstwianie się tkanki kostnej i wytwarzanie przyczepu nabłonkowego, co jest szczególnie widoczne na szorstkich powierzchniach implantów.

Wprowadzenie tytanowego wszczepu w struktury kostne wywołuje podobne reakcje gojenia kości jak w przypadku urazów. Umieszczenie wszczepu w tkance kostnej powoduje przerwanie ciągłości naczyń krwionośnych i tkanek, czego następstwem jest martwica oraz reakcja zapalna. W wyniku wielu złożonych zjawisk następuje tworzenie skrzepu i jego organizacja, co powoduje utworzenie bogato unaczynionej tkanki ziarninowej i kolonizowanie się komórek niezróżnicowanych. Na powierzchni wszczepu dochodzi do powstania młodej tkanki łącznej, a w następnych dniach do dojrzewania i mineralizacji macierzy kostnej.

W tkance kostnej przez cały czas dochodzi do równoczesnego niszczenia i odbudowy tkanki. Remodeling stanowi fazę ciągłą osteointegracji. W wyniku przebudowy kości następuje ciągłe jej ulepszanie i dostosowywanie do nowych warunków. Po wprowadzenia wszczepu kość, początkowo z warstwą martwiczą a później z młodą tkanką naprawczą, zastępowana jest silną tkanką blaszkowatą.

Badania dowodzą, że ważnym elementem wpływającym na wgajanie wszczepu jest mikrotopografia powierzchni implantu. Oprócz modyfikacji makrostruktury wszczepu powoduje to znaczne zwiększenie przylegania implantu do kości. Porowatość implantu tytanowego nie tylko stymuluje różnicowanie osteoblastów, ale wpływa także na odpowiedź miejscowych czynników, co ma decydujące znaczenie w zwiększaniu osteointegracji implantu. Poprawnie przebiegający proces osteointegracji umożliwia wykorzystanie wszczepu jako filaru protetycznego, pomimo oddziaływania na niego sił zgryzowych. Jednym z warunków osiągnięcia tego jest stabilizacja pierwotna, czyli mechaniczne osadzenie wszczepu w kości w momencie zabiegu. Mocne utrzymanie implantu w łożu kostnym zapobiega mikroruchom, które mogą prowadzić do wytworzenia tkanki łącznej włóknistej pomiędzy wszczepem a kością.

W uzyskaniu pierwotnej stabilizacji ważnym czynnikiem jest jakość kości, odpowiedni kształt wszczepu (powiększa powierzchnię styku z tkanką kostną oraz równomiernie rozkłada siły wywierane na kość w momencie osadzania implantu) oraz właściwa technika zabiegu. Niezakłócony proces wgajania wszczepu stwarza warunki do nawarstwiania tkanki kostnej na powierzchni implantu i mocną integrację obu elementów, czyli stabilizację wtórną. W prawidłowych warunkach jest ona wyższa niż stabilizacja pierwotna.

Wykorzystuje się wiele metod poprawy struktury i jakości tkanki kostnej, aby maksymalnie zwiększyć stabilizację pierwotną i wtórną. Należą do nich: augmentacja kości, podnoszenie dna zatoki szczękowej, sterowana regeneracja kości, rozczepianie wyrostka zębodołowego, przeszczepy bloków kostnych czy dystrakcja kostna.

Piśmiennictwo związane z tą tematyką jest bardzo bogate, nie istnieje jednak zbyt wiele opracowań na temat przeszczepu bloków kostnych z już zintegrowanym implantem. Tematyka przeszczepu implantu z autogennym blokiem kostnym nie została dotychczas w pełni zbadana, brak jest także udokumentowanych opracowań zarówno metody tego typu transplantacji, jak i wpływu marginesu kości na przyspieszenie lub opóźnienie osteointegracji implantu. W porównaniu ze standardowym postępowaniem taka metoda ma swoje uzasadnienie kliniczne. Implantacja w regionie z dostateczną ilością kości jest procedurą prostszą, wykazująca większy odsetek powodzenia. Zabieg jest mniej inwazyjny. Uzyskuje się lepszą stabilizację pierwotną, która odgrywa bardzo ważną rolę w osteointegracji. Po zakończonym procesie integracji implantu z tkanką kostną pobiera się blok i umieszcza w ubytku kostnym. Warunkiem powodzenia całej procedury jest przede wszystkim:
- wgojenie przeszczepu i jego neowaskularyzacja,
- brak atrofii przeszczepionego bloku,
- zachowanie stabilności implantu,
- umieszczenie bloku kostnego w idealnej pozycji z uwzględnieniem pozycji implantu.

Wpływ przeszczepu bloku kostnego na tkanki otaczające zintegrowany wszczep został zbadany przy użyciu analizy fraktalnej. W ostatnich latach obserwuje się wzrost wykorzystania analizy fraktalnej w badaniach medycznych, kiedy istnieje potrzeba oceny stopnia złożoności badanych obiektów. Wg niektórych autorów ilościowej oceny zmian (m.in. w kości) można dokonać przy użyciu wymiaru fraktalnego, ponieważ tkanka kostna ma budowę fraktalną. Podczas szacowania wymiaru fraktalnego wykorzystywana jest koncepcja samopodobieństwa obrazów. Wymiar fraktalny charakteryzuje stopień złożoności obiektów, wykorzystując ocenę tego, jak szybko wzrasta długość, objętość czy powierzchnia, jeśli pomiar dokonywany jest z coraz większą dokładnością.

Cel pracy
Celem opisanej pracy była analiza fraktalna kontaktu implantu tytanowego z kością po autotransplantacji osteointegrowanych implantów.

Materiały i metody
Badania przeprowadzono na zwierzętach laboratoryjnych: 10 świnkach morskich gatunku Duncin-Hurtley. Wybrano taki gatunek, gdyż świnki te rodzą się już z dojrzałym szkieletem kostnym. Zwierzęta pozyskano z Hodowli Zwierząt Laboratoryjnych Staniszewska Maria w Krakowie. Świnki przetrzymywano w Zwierzętarni Zakładu Histologii i Embriologii WUM.
Uzyskano zgodę Lokalnej Komisji Etyki Lekarskiej na wykonanie badania.
Utworzono dwie grupy:
I grupę eksperymentalną stanowił materiał dotyczący tkanki kostnej w pasie integracji kości z płytką tytanową po transplantacji bloku kostnego z osteointegrowaną płytką. II grupę kontrolną do grupy eksperymentalnej stanowił materiał dotyczący tkanki kostnej w pasie integracji z płytką tytanową bez wykonywania transplantacji.

W pierwszym etapie przeprowadzono zabiegi chirurgiczne polegające na wszczepieniu płytek tytanowych w sklepienie czaszki świnek morskich z pominięciem szwu kostnego. Płytki tytanowe pochodziły z Instytutu Badawczego Straumann w Bazylei.

Drugi zabieg chirurgiczny wykonany po 4 miesiącach dotyczył wycięcia bloków kostnych zawierających wcześniej wszczepione płytki tytanowe z jednej strony sklepienia czaszki, przekręcenia ich o 90 st. i ich autotransplantacji w miejsce biorcze. Po drugiej stronie szwu kostnego wszczepione płytki pozostały bez interwencji chirurgicznej.

Do oceny histologicznej tkanek zwierzęta zostały poddane eutanazji po 6 miesiącach od ostatniego zabiegu chirurgicznego. Pobrano wycinki tkanki kostnej z zintegrowaną płytką tytanową po autotransplantacji oraz wycinki tkanki kostnej z zintegrowaną płytką tytanową bez transplantacji. Próbki tkanki kostnej z płytką tytanową wysłano do Instytutu Straumann w Bazylei celem wykonania preparatów histologicznych.

Przygotowane preparaty poddawano odwapnieniu dzięki moczeniu w 10% kwasie mrówkowym. Szlify grubości 50 mm odwapnionych preparatów wybarwiano Czerwienią Syriusza. Metoda ta 7-krotnie wzmacnia naturalną dwójłomność włókien kolagenowych i umożliwia szczególnie dokładną analizę architektury kolagenowej tkanki kostnej. Tak wykonane preparaty analizowano w mikroskopie polaryzacyjnym dla preparatów znaczonych Czerwienią Syriusza. Z uzyskanych preparatów histologicznych wykonano zdjęcia obrazu mikroskopowego (Nikon E400, powiększenie 25x oraz 100x). Na podstawie uzyskanych obrazów histologicznych oceniono obraz tkanki kostnej w pasie jej połączenia z płytką tytanową po wykonaniu autotransplantacji oraz w pasie połączenia tkanki kostnej ze zintegrowaną płytką tytanową bez wykonania zabiegu transplantacji w poszczególnych grupach. Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej.

Metoda oceny obrazu
W pracy zastosowano metodę wyznaczania wymiaru podobieństwa, czyli wymiaru fraktalnego, opartą na średniej bezwzględnej różnicy poziomów szarości. Dla macierzy poziomów szarości „I” (x, y) obrazu o wymiarach M x N (w której występuje s skal długości, określonych jako odległości pomiędzy poszczególnymi pikselami obrazu) definiowana jest średnia bezwzględna różnica poziomów szarości jako „E”. Jest ona równa średniej różnicy intensywności dla wszystkich par pikseli leżących w danej odległości r mierzonej w pionie, poziomie i wzdłuż przekątnych obrazu. Metodę opisują nastepujące zależności:

gdzie:
x, y, u, v – współrzędne pikseli obrazu
P – liczba par pikseli dla skali o odległości r

Współrzędne x, y, u, v muszą spełniać następującą zależność:

 

 

Współczynnik H określany jest jako współczynnik Hurst'a, który w efekcie jest współczynnikiem kierunkowym prostej regresji liniowej logarytmicznej zależności E od r. Właściwy wymiar fraktalny D obliczany jest z zależności:

 

Dla obrazów struktur o małej wariancji intensywności, wartość E będzie zbliżona do wartości r. Dlatego wartość H będzie mała, a wymiar fraktalny D będzie duży. W przypadku dużej wariancji intensywności E przybiera większe wartości dla większych r. Dlatego H przyjmuje większe wartości, przez co wymiar fraktalny D jest mniejszy.

Oznaczenie wartości wymiaru fraktalnego pozwala na dokonanie analizy stopnia powtarzalności układu pikseli w obrazie fragmentu ocenianej struktury, a tym samym stopnia samopowtarzalności obrazowanej struktury. Analizę wykonano, wykorzystując pakiet STATISTICA, stosując metody statystyki opisowej (średnia, odchylenia standardowe, wartość maksymalna i minimalna) oraz testy t-Studenta. Sprawdzenia normalności rozkładu dokonano, przeprowadzając jeden z „testów normalności”. Testy takie informują, jakie jest prawdopodobieństwo, że próbka pochodzi z populacji o rozkładzie normalnym. W pracy wykorzystano tzw. test Kołmogorowa-Smirnowa.

Porównania wyników dokonano w oparciu o test t-Studenta przy poziomie istotności p=0,05, różnice znamienne statystycznie występują w sytuacji, gdy p<0,05. Test ten jest najpowszechniej stosowaną metodą oceny różnic między średnimi w 2 grupach.Teoretycznie test może być stosowany także w przypadku bardzo małych prób. Jedynym warunkiem jest normalność rozkładu zmiennych oraz brak istotnych różnic między wariancjami. Założenie o normalności sprawdzono przez analizę rozkładu przy pomocy testu normalności. Założenie o równości wariancji sprawdzono za pomocą testu F.
Jeżeli warunki, o których mowa nie byłyby spełnione, wówczas alternatywą pozostaje użycie jednego z testów nieparametrycznych alternatywnych w stosunku do testu t.

Wyniki
Oceniano obraz tkanki kostnej w pasie integracji kości z płytką tytanową. W grupie I eksperymentalnej oceniono 72 obrazy tkanki kostnej w pasie integracji kości z płytką tytanową po transplantacji bloku kostnego z płytką tytanową.
W grupie II kontrolnej oceniano 72 obrazy tkanki kostnej w pasie integracji z płytką tytanową bez wykonywania transplantacji. We wszystkich ocenianych obrazach porównano średnią bezwzględną różnicę poziomów szarości, wyznaczając wymiar podobieństwa obrazów, czyli Wymiar Fraktalny. Oznaczenie wartości Wymiaru Fraktalnego pozwoliło na dokonanie analizy stopnia powtarzalności układu pikseli w obrazie fragmentu ocenianej struktury, a tym samym stopnia samopowtarzalności tej struktury.

Średnie wartości Wymiaru Fraktalnego w całej grupie obrazów, w grupie eksperymentalnej i w grupie kontrolnej były zbliżone. Rozkład wartości Wymiaru Fraktalnego zarówno w całej grupie obrazów, jak i w podziale na grupę eksperymentalną i kontrolną był rozkładem normalnym (Tab. 1).

 

Można zdecydowanie powiedzieć, że rozkłady poziomów szarości (Wymiar Fraktalny) zarówno we wszystkich ocenianych obrazach, jak i w poszczególnych grupach są do siebie bardzo zbliżone. Oznacza to, że stopień powtarzalności układu pikseli w ocenianych obrazach jest bardzo wysoki, czyli samopowtarzalność obrazowanych struktur jest bardzo wysoka. Wynik testu K-S (p>0,05) oraz histogram wartości Wymiaru Fraktalnego dla całej grupy obrazów wskazują, że rozkład jest rozkładem normalnym (Ryc. 1). Poziomy szarości (Wymiar Fraktalny) wszystkich ocenianych obrazów są do siebie bardzo zbliżone. Oznacza to, że stopień powtarzalności układu pikseli w ocenianych obrazach w całej grupie jest bardzo wysoki, czyli samopowtarzalność obrazowanych struktur jest bardzo wysoka.

Wynik testu K-S (p>0,05) oraz histogram wartości Wymiaru Fraktalnego dla grupy eksperymentalnej wskazują, że rozkład jest rozkładem normalnym (Ryc. 2). Poziomy szarości (Wymiar Fraktalny) ocenianych obrazów w grupie eksperymentalnej są do siebie bardzo zbliżone. Oznacza to, że stopień powtarzalności układu pikseli w ocenianych obrazach w grupie eksperymentalnej jest bardzo wysoki, czyli samopowtarzalność obrazowanych struktur jest bardzo wysoka.

Wynik testu K-S (p>0,05) oraz histogram wartości Wymiaru Fraktalnego dla grupy kontrolnej wskazują, że rozkład jest rozkładem normalnym (Ryc. 3).
Poziomy szarości (Wymiar Fraktalny) ocenianych obrazów w grupie kontrolnej są do siebie bardzo zbliżone. Oznacza to, że stopień powtarzalności układu pikseli w ocenianych obrazach w grupie kontrolnej jest bardzo wysoki, czyli samopowtarzalność obrazowanych struktur jest bardzo wysoka.

Średnia wartość Wymiaru Fraktalnego w grupie eksperymentalnej wynosiła 2,0208 i była jedynie nieznacznie wyższa niż średnia wartość Wymianu Fraktalnego w grupie kontrolnej, gdzie wynosiła 2,0185 (Tab. 2). Wynik testu (p>0,05) wskazuje na brak różnic znamiennych statystycznie pomiędzy wyznaczoną średnią wartością Wymiaru Fraktalnego dla grupy eksperymentalnej oraz grupy kontrolnej.

Porównanie średnich wartości poziomów szarości (Wymiar Fraktalny) pomiędzy grupą eksperymentalną i grupą kontrolną wskazuje na brak różnic pomiędzy nimi. Stopień powtarzalności układu pikseli ocenianych obrazów jest taki sam w grupie eksperymentalnej, jak w grupie kontrolnej, czyli samopowtarzalność obrazowanych struktur w obu badanych grupach jest taka sama.

Porównanie rozkładów średnich wartości poziomów szarości (Wymiar Fraktalny) pomiędzy grupą eksperymentalną i grupą kontrolną wskazuje na brak różnic pomiędzy nimi. Stopień powtarzalności układu pikseli ocenianych obrazów jest taki sam w grupie eksperymentalnej, jak w grupie kontrolnej, czyli samopowtarzalność obrazowanych struktur w obu badanych grupach jest taka sama (Ryc. 4).

Wyniki testu K-S (p>0,05) oraz histogramy wartości Wymiaru Fraktalnego dla grupy eksperymentalnej i dla grupy kontrolnej wskazują, że rozkłady są rozkładami normalnymi (Ryc. 5).

Średnie wartości poziomów szarości (Wymiar Fraktalny) w grupie eksperymentalnej i w grupie kontrolnej są do siebie bardzo zbliżone. Oznacza to, że stopień powtarzalności układu pikseli w ocenianych obrazach w obu badanych grupach jest bardzo wysoki, czyli samopowtarzalność obrazowanych struktur jest bardzo wysoka.

Omówienie wyników
Analizę fraktalną zastosowano m.in. do oceny ilościowej stopnia uporządkowania struktury włókien kolagenowych w różnych częściach szkieletu kostnego człowieka. Przeprowadzone badania dowiodły różnicy znamiennej statystycznie między poszczególnymi obrazami mikroskopowymi szkieletu osiowego i obwodowego oraz pokazały, że kość w różnych miejscach poddaje się w inny sposób siłom mechanicznym, co może wpływać na procesy gojenia tkanki kostnej, np. po przeszczepach. W związku z tym zasadne wydaje się wykorzystanie analizy fraktalnej do badań obrazów histologicznych tkanki zintegrowanej z implantem tytanowym, aby wykazać czy występują zaburzenia w osteointegracji wszczepu tytanowego po przeszczepie bloku kostnego.

W wykonanych badaniach ocena i porównanie morfologii kontaktu przeszczepionej tkanki kostnej z powierzchnią implantu zostało przeprowadzone w oparciu o porównanie poziomów szarości (Wymiar Fraktalny). Tym samym przeprowadzono ocenę stopnia powtarzalności układu pikseli obrazów, czyli samopowtarzalności obrazowanych struktur pomiędzy grupą eksperymentalną i grupą kontrolną.

W przeprowadzonych badaniach rozkłady poziomów szarości (Wymiar Fraktalny) w grupie eksperymentalnej i w grupie kontrolnej były do siebie bardzo zbliżone (brak różnic na poziomie istotności statystycznej). Oznacza to, że stopień powtarzalności układu pikseli w ocenianych obrazach w obu grupach jest bardzo wysoki, czyli samopowtarzalność obrazowanych struktur w obu grupach jest bardzo wysoka.

Porównanie rozkładów średnich wartości poziomów szarości (Wymiar Fraktalny) pomiędzy grupą eksperymentalną i grupą kontrolną wskazuje na brak różnic pomiędzy nimi. Stopień powtarzalności układu pikseli ocenianych obrazów jest taki sam w grupie eksperymentalnej, jak w grupie kontrolnej, czyli samopowtarzalność obrazowanych struktur w obu badanych grupach jest taka sama.

Uzyskane wyniki sugerują, że po transplantacji bloku kostnego z osteointegrowaną płytką tytanową w pasie integracji z płytką tytanową nie następuje żadna przebudowa tkanki kostnej oraz zabieg transplantacji bloku kostnego w żaden sposób nie wpływa na osteointegrację tego implantu z kością. Wyniki badań własnych mogą stanowić istotny punkt odniesienia w leczeniu implantologicznym, stosującym przeszczepienie bloku kostnego z wcześniej zintegrowanym implantem.

Przeprowadzone badania dowodzą, że w przypadku przeszczepienia bloku kostnego ze zintegrowanym implantem można modyfikować pozycję implantu w przypadkach, kiedy implant ten został nieprawidłowo umieszczony. W przypadku istnienia regionu o dużym ubytku tkanki kostnej można również w ten rejon przeszczepiać cały blok kostny z implantem.

Wyniki przeprowadzonych badań potwierdziły, że:
1. Obraz histologiczny tkanki w pasie integracji z płytką tytanową po transplantacji bloku kostnego nie ulega zmianie.
2. Brak zmiany obrazu histologicznego tkanki kostnej w pasie integracji z płytką tytanową pozwala na transplantację bloku z implantem pierwotnie błędnie upozycjonowanym w celu poprawy jego usytuowania dla przyszłego protezowania.
3. Brak zmiany obrazu histologicznego tkanki kostnej w pasie integracji z płytką tytanową pozwala na transplantację bloku z implantem w miejsca znacznej atrofii podłoża kostnego.

Autorzy:
Lek. stom. Michał Pelc – doktorant z Zakładu Chirurgii Stomatologicznej WUM,
prof. dr hab. n. med.Andrzej Wojtowicz – Kierownik Zakładu Chirurgii Stomatologicznej WUM,

dr inż. Sławomir Chaberek – Dyrektor Techniczny SPSK im. prof. Adama Grucy w Otwocku.

Kontakt:
Zakład Chirurgii Stomatologicznej WUM
tel.: (22) 502 12 42