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Dependency of dental implants’ primary stability on rotational speed of insertion: In-vitro investigations in synthetic and natural bone

这项利用数控（CNC）控制在合成骨和天然骨中进行植入的体外研究表明，将转速从 5 rpm 增加到 25 rpm 能显著改善若干项初期稳定性指标，而将转速进一步提高到 50 rpm 则不会带来额外的益处。

原作者： Mahdi Farrokhi Kashtiban, Tahereh Mirzaie, Gholamreza Rouhi

发布于 2026-10-22

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原作者： Mahdi Farrokhi Kashtiban, Tahereh Mirzaie, Gholamreza Rouhi

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

当一颗牙齿缺失时，可以将一颗钛金属螺钉植入颌骨中，以固定新的牙冠。为了让这颗人工牙根成为身体的永久组成部分，它必须首先度过一个关键的等待期，在此期间它完全依赖于在骨骼内紧密的机械抓力。这种初始的抓力被称为初级稳定性，它是最终使金属与活体组织融合的生物过程的基础。如果在最初的几周内螺钉发生哪怕轻微的晃动，愈合过程就会失败。虽然外科医生知道螺钉的形状和骨骼的质量至关重要，但一个变量一直是个谜：将螺钉旋入骨骼的速度是否会改变其抓紧程度？

为了回答这个问题，伊朗阿米尔卡比尔理工大学的研究人员设计了一个精确的实验，旨在测试牙科植入物的旋转速度如何影响其初始稳定性。他们使用了六十颗完全相同的螺钉，每颗宽四毫米，长十毫米，并将它们植入两种不同的材料中。一种材料是刚性聚氨酯泡沫块，这是一种常用于实验室的合成物质，因为其特性具有完美的均匀性和重复性。另一种是新鲜的牛肋骨，它模拟了人类骨骼复杂且不规则的结构。为了确保人类的手部操作或疲劳不会影响结果，一台计算机控制的机器执行了每一次植入过程。机器以三种特定的速度将螺钉旋入材料中：慢速每分钟五转，中速每分钟二十五转，以及快速每分钟五十转。

团队使用几种不同的方法测量了每颗螺钉的稳定性。他们记录了旋入螺钉所需的最大扭力、旋入过程中消耗的总能量，以及反映螺钉在孔中坐落稳固程度的共振评分。他们还进行了一项破坏性测试，即垂直向下挤压螺钉直到其失效，测量骨骼-螺钉组合在断裂前能承受多少力和能量。结果显示，在合成泡沫中存在明显的规律：随着速度从每分钟五转增加到二十五转，稳定性指标显著提高。螺钉抓得更紧，需要更多能量才能将其挤出，并且表现出更高的共振评分。然而，当速度从每分钟二十五转进一步增加到五十转时，稳定性并未进一步提升。额外的速度并没有带来任何额外的抓力。

在天然牛骨中的情况则略有不同。在这里，植入速度并未显著改变旋入螺钉所需的力，也没有改变过程中的总能量。然而，其他稳定性指标讲述了一个与泡沫类似的故事。当速度从每分钟五转增加到二十五转时，共振评分和将螺钉挤出所需的能量都显著增加，但同样地，将速度提高到每分钟五十转并不能带来额外收益。研究人员指出，合成泡沫和天然骨骼在旋入力方面表现不同，这表明泡沫并不能完美复制真实骨骼对速度的反应方式。这种差异强调了虽然合成材料在受控测试中很有用，但它们无法完全模拟活体骨骼复杂的、依赖速率的行为。

最终，这项研究表明，对于所测试的材料和条件而言，将植入物旋转得快于每分钟二十十五转，在初始稳定性方面并不会带来额外优势。抓紧能力的提升主要发生在从极慢速度转向中等速度的过程中。即便速度更快，也不会让植入物更加稳固，尽管这能在更短的时间内完成工作。研究结果表明，外科医生可能不需要为了获得更好的效果而追求更高的速度，选择每分钟二十五转可能是平衡效率与最大初始稳定性的“甜点位”。

技术摘要：种植体初始稳定性对植入旋转速度的依赖性

问题陈述
初始稳定性是种植体骨结合及长期成功的关键前提。虽然已知初始稳定性取决于骨质量、种植体宏观几何结构和手术技术，但植入旋转（IR）速度的具体影响尚不明确。现有文献的研究结果存在矛盾：一些计算机模拟研究表明，IR 速度对最大植入扭矩（MIT）没有显著影响；而合成泡沫中的实验研究则表明，增加 IR 速度会降低 MIT 并改变种植体稳定性指数（ISQ）。此外，以往的实验证据主要局限于合成基质（PU 泡沫）和非破坏性稳定性测量，在了解 IR 速度如何影响天然骨中种植体-骨界面的机械强度方面存在空白。本研究旨在通过一套综合的稳定性指标，确定 IR 速度是否以及如何影响合成骨和天然骨的初始稳定性。

研究方法
本研究采用 in-vitro（体外）实验设计，将 60 个相同的种植体（直径 4 mm，长度 10 mm）植入两种不同的基质中：

合成骨： 密度为 0.2 g/cm³ 的刚性聚氨酯（PU）泡沫。
天然骨： 来自同一头 2.5 岁公牛的牛肋骨，通过 CT 成像进行筛选，以确保骨质量均匀（平均 500 Hounsfield 单位，对应于 IV 型骨）。

为消除人为变异性，所有钻孔和植入过程均使用数控（CNC）机床完成。种植体以三种旋转速度进行植入：5 rpm（低速）、25 rpm（中速）和 50 rpm（高速），这代表了临床相关的范围。每种速度每种基质测试 10 个种植体。

初始稳定性通过六个互补指标进行评估：

植入阶段： 最大植入扭矩（MIT）和植入能量（IE）。
共振响应： 通过 Osstell 测量的种植体稳定性指数（ISQ）。
机械强度（破坏性）： 推入测试参数，包括推入刚度、推入极限载荷和推入能量（PIE）。

统计分析使用 Welch's ANOVA 和带有 Holm 校正的成对 Welch's t 检验进行多重比较。

主要结果
研究表明，IR 速度对初始稳定性的影响取决于基质类型和具体的稳定性指标：

合成骨 (PU 泡沫)：
- MIT： 显示出对 IR 速度具有统计学意义的整体依赖性 ( $p=0.0466$ )，平均扭矩从 5 rpm 增加到 25 rpm。但在经过 Holm 校正后，无成对比较具有显著性。
- IE： 从 5 rpm 到 25 rpm 以及从 5 rpm 到 50 rpm 显著增加，但 25 rpm 与 50 rpm 之间不存在显著差异。
- ISQ & PIE： 当速度从 5 rpm 升至 25 rpm 和 50 rpm 时，两者均显著增加。25 rpm 与 50 rpm 之间未发现显著差异。
- 极限载荷： 从 5 rpm 到 25 rpm 以及从 5 rpm 到 50 rpm 显著增加，而在 25 rpm 与 50 rpm 之间没有显著变化。
- 刚度： 未检测到 IR 速度的显著影响 ( $p=0.078$ )。
天然骨 (牛肋骨)：
- MIT & IE： 这两个指标均未显示出对 IR 速度的显著依赖性 ( $p=0.246$ 和 $p=0.949$ )。
- ISQ： 从 5 rpm 到 25 rpm 显著增加 ( $p=0.012$ )，但 5 rpm 与 50 rpm 以及 25 rpm 与 50 rpm 之间未观察到显著差异。
- 极限载荷： 显示从 5 rpm 到 50 rpm 的显著增加 ( $p=0.024$ )，尽管从 5 rpm 到 25 rpm 的增加在统计学上不显著 ( $p=0.055$ )。
- PIE： 从 5 rpm 到 25 rpm 以及从 5 rpm 到 50 rpm 显著增加，25 rpm 与 50 rpm 之间没有显著变化。
- 刚度： 未检测到 IR 速度的显著影响 ( $p=0.121$ )。

核心贡献与主张
本工作的核心贡献在于通过受控的 CNC 环境和多指标评估策略，系统地比较了 IR 速度在合成骨和天然骨中的效应。作者提出以下观点：

最佳速度范围： 将 IR 速度从 5 rpm 增加到 25 rpm 可改善多种稳定性指标，特别是 ISQ 和推入能量，在两种基质中均如此。然而，进一步增加到 50 rpm 并不会使这些指标获得显著的额外提升。
基质差异： 研究强调了合成骨与天然骨在速率依赖行为方面的分歧。虽然 PU 泡沫在 MIT 和 IE 上表现出对 IR 速度的依赖性，但天然骨则不然。作者认为，PU 泡沫可能无法完全模拟天然骨非均匀、各向异性和速率依赖性的特性，特别是在扭矩和能量指标方面。
刚度无关性： 种植体-基质结构的弹性刚度（通过推入刚度测量）似乎对 IR 速度不敏感，这表明虽然屈服特性（极限载荷、能量）可能受植入速率的影响，但初始弹性响应保持稳定。
改进机制： 作者提出，较高速度（5 至 25 rpm）带来的稳定性改善可能归功于缩短了植入时间，从而限制了种植体螺纹附近材料微损伤和微裂纹的累积。相反，超过 25 rpm 后缺乏改进，表明这种益处存在一个平台期。

意义
研究结论指出，虽然将 IR 速度从 5 rpm 提高到 25 rpm 对 ISQ 和推入能量等初始稳定性指标有益，但将速度进一步提高到 50 rpm 带来的额外优势有限。研究结果警示研究人员，在利用 MIT 和 IE 作为稳定性指标时，不要直接将合成骨（PU 泡沫）的结果推导至天然骨。该研究强调，在区分不同基质类型时，需要仔细解读稳定性指标，并指出只要速度达到 25 rpm，目前的临床 IR 速度范围（最高 50 rpm）可能无需针对所测量的特定稳定性指标进行进一步优化。

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