顳下頜關節盤的生物力學表現

宋志華

(赤壁市蒲紡醫院，湖北赤壁437321)

顳下頜關節(Temporomandibular Joint，TMJ)是人體最為復雜、精細的關節之一，左右各一，雙側聯動，構成一功能單位，共同完成咀嚼、吞咽、語言、表情等功能活動。關節盤是人體顳下頜關節的重要組成部分，具有緩沖震蕩、分散載荷、穩定關節的作用［1］。從1980年以來出現了許多關于顳下頜關節的生物力學研究，通過各種實驗的、機械的、數值的研究方法進行TMJ的生物力學研究，并且有實驗與動物模型的研究證實了顳下頜關節在受到載荷的時候所行使的功能［2］，但是關于更詳細的關節載荷的分布數據還是不完整。人體顳下頜關節咀嚼系統的數學模型對于預測關節在行使功能時所受到的載荷仍是一個很有用的工具［3］，隨著生物力學學科的迅猛發展，有很多關于TMJ生物力學的研究也不斷深入并取得了很多有意義的結果。

1 關節盤的粘彈性

顳下頜關節盤的功能是增強協調關節骨面在下頜運動期間的穩定(特別是開口時)，分散應力覆蓋更大的面積，并且使滑膜液體分散。關節盤由水、膠原、糖蛋白、彈性硬朊、纖維軟骨和類軟骨細胞組成。這些大分子在生物學組織的粘彈特性中發揮著一定作用。水于組織間隙之間的運動可影響組織之間的變形，組織的滲透性在關節盤和軟骨的各項特異性中發揮重要的作用。關于顳下頜關節彈性模量的研究有很多，最早是在1985年的Fontenot對顳下頜關節盤彈性模量的研究。通常，彈性模量是通過固定的試驗方法來測量微小的樣本［4］。但是由于不同的試驗方法跟不同的新的測量工具的應用是我們不能夠方便的比較各類研究的結果。Hatton［5］與他的研究團隊發現牛與豬的關節跟人類的有相似之處，它們的關節都能進行側方運動，但是在功能上豬要更加接近人類一些。由于這些動物模型之間的差異導致關機盤在載荷拉應力、壓應力、剪切應力的時候，主要的影響因素是各個模型各自彈性模量的性質與屬性，所以負載下生物材料的粘彈特性使其具有不同的力學表現，即當載荷率增加時，粘彈性材料可以吸收更多的能量，并且需要更大的力才能斷裂，因為在載荷加速時，粘彈性材料可以產生更高的彈性模量。也有學者通過比較兩種不同載荷率下壓縮人TMJ關節盤而產生的彈性模量證實，人顳下頜關節盤具有良好的粘彈特性，表明TMJ具有很強的力學適應特性。

2 關節盤的拉伸模量

關節盤的拉伸模量主要依靠的是在受力方向上排列的膠原纖維，因為這些分布在與受力方向相同的纖維能夠承受該方向上的張力。關節盤中的膠原纖維主要是I型，它是軟骨、皮膚、筋膜和韌帶等結締組織的主要成分。關節盤纖維可以是橫向排列，而大量纖維的方向是縱向沿著最高壓力下降的梯度排列，因此其基質的強度才前后方向大于橫向，在中間帶前后方向所受到的張力要大于橫向。Beatty［6］研究發現豬的關節盤在前后帶方向受到的張力可以達到76.4MPa，而在中間帶與側方上只能承受3.2MPa的張力(張力比，500mm/min)。而有趣的是研究發現在中間帶這個區域，內側與側方的拉伸模量也是不同的，這說明膠原纖維在這兩個區域其所受力的分布也是不同的。Tanaka研究證實牛的關節盤的側方與內側區域的拉伸模量要大于中間帶。然而，Tanne［7］研究證實在豬的關節盤中拉伸模量在中間帶要大于側方。也許這種差異是由于不同動物咀嚼方式上的差異造成的。有學者研究關節盤橫向單向拉伸試驗表明，關節盤各帶的拉伸剛度略有差異，前帶大于中間帶和后帶，中后帶的差異不明顯。拉伸應力在5%的應變內改變較小，屬于生理性應變區，代表了關機盤在功能狀態時應力、應力變化的生理范圍。關節盤的破壞應變為21% ～22%，低于透明軟骨和纖維軟骨，但高于純膠原腱類組織(6% ～8%)，盤拉升剛度在9.04～13.65MPa之間。

3 關節盤的剪切模量

對于在關節滑液中的關節盤的剪切性質的研究發現［8］，剪切力會導致關節軟骨的疲勞、損傷和畸形。因此，剪切模量的數據有助于更好的理解次生組織的損耗。在關節受到載荷的時候很有可能存在剪切力，這是由于第一在解剖學上關節盤的表面并不是一個平面，所以所受到的力也不是一樣的。另外一個原因是在關節盤各個層面上的組織結構上的不同，也會導致剪切力的存在。

Nakano等［9］研究證實在關節盤的不同層面其生物力學的特性也不一樣，同樣也會導致關節盤承受剪切力，并在有限元法研究關節盤的3層不同組織中得到證實［10］。曾經也有報道說關節盤對直接作用在軟骨上的剪切模量十分的敏感［11］，因此在關節盤受到剪切力時要考慮到非線性、非均質性與受力時間的長短。未來需要研究的是關于在關節盤受到動態的剪切力的作用下關節盤的特性。

4 關節盤的適應性改變

在人的一生中由于各種因素的不斷變化，關節盤的生物力學行為也在不斷的改變。但是GAG復合物在關節盤中受機械力時的詳細的機制不是很清楚，特別是硫酸軟骨素、硫酸膚質和透明質酸酶的一些機制［12］。盡管粘蛋白復合體在承受靜態載荷的時候能夠降低其負荷，但是關節軟骨內環境的穩定是在承受動態載荷時粘蛋白復合體發揮作用的重要因素［13］。相反，有的研究表明在關節軟骨在有關節滑液存在的時候所承受的最大載荷要小于實際的載荷;而當外界應力減小的時候關節中的粘蛋白與GAG復合物也趨向于恢復到正常的水平;這種改變有可能影響到關節盤的機械性能。此外核心蛋白多糖能夠增加Ⅰ型蛋白的直徑，加強膠原纖維的結構，導致關節盤能夠更好的抵抗張力［14］。因此只有充分的理解顳下頜關節盤功能改型的結果，才能對關節盤的機械性能進行更深遠的研究。

5 關節盤內部構建與力學性能的關系

近來的超微結構研究認為［15］關節盤各帶既含有前后向纖維，也有垂直向纖維和橫向纖維存在，關節盤四周存在環形膠原環結構，對傳遞、分散應力有重要作用。對關節盤冠狀方向拉伸試驗的超微結構變化研究表明:6%應變下，盤前帶內外向(與載荷方向一致)膠原被拉直，未發現有膠原原纖維的破壞，而中帶和后帶發生局部膠原原纖維的拉伸、剪切破壞，表面波紋消失，證實了盤內部膠原構筑是其發揮生物力學功能的結構基礎，關節盤抗橫向位伸的生理應變范圍應在5%的應變內。有學者研究發現:機械應力對大鼠關節盤內糖胺多糖合成的影響，發現隨應力水平的增加，硫酸軟骨素-6的含量成比例增加，但透明質酸含量下降，硫酸膚質沒有變化，提示關節盤內的壓縮力可以刺激關節盤向軟骨樣結構轉變。盡管關節盤的適應性非常有限，盤內基質仍處于一定的動態改建之中以適應功能的需要。

6 結論

顳下頜關節盤的生物力學行為就像一個彈性結構，通過這種結構關節盤能夠吸收與分散所受到的壓力，因此關節盤的骨組織、軟骨組織能夠借助這種結構承受作用于關節盤上集中的應力與過度的壓力，也正是由于這種結構可以保護關節盤不會變性、穿孔、變薄，不會形成骨關節病，髁突不會改型與增生。有限元法將研究對象的整體結構看成是由不同的結構和組織組成，通過網格劃分的有限個單元實體相互連接而成的幾何實體，由每個小單元力學的總效果來反映研究對象的整體力學特征。有限元法已被證明是一個適合于分析顳下頜關節受力的工具，從1990年以來三維有限元發用于研究顳下頜關節、顳下頜關節盤以來，該方法已經得到了長足的發展。例如，能夠通過這個模型預測出關節盤各個組成部分所受到的壓力和與關節盤所接觸的各個部分需要的彈性模量的大?。?6］。然而，迄今為止顳下頜關節盤彈性模量的性質在顳下頜關節的這些模型中是呈線性分布的，這個對于將來模型在關節盤復合體中的的發展將是一個挑戰。最近一個可利用的關節的對照的模型就是二項性模型，這個模型可以描述關節受到撞擊時吸收沖擊的特性。在有磨牙癖的患者和正常咀嚼的時候雖然應力的分布跟關節盤受到的載荷直接有關，但是前帶跟后帶在吸收與分散應力上還是起到很重要的作用。絕大多數有關TMJ生物力學的研究結果都是宏觀力學水平獲得的，對生物力學的研究起了重要的促進作用，但是，由于生理因素的復雜性和研究儀器的精確性等諸多的影響因素，所取得的生物力學參數還不能完全用于人類生物醫學工程學的研究和應用。雖然有不少TMJ軟骨細胞、關節盤細胞的體外培養研究，但是目前關于顳下頜關節盤細胞生物力學方面的研究報道還不是很多，對于軟骨細胞生物力學行為的研究在微觀上其主要的機制還不清楚。盡管如此，以上的研究為顳下頜關節盤生物力學的研究奠定了一定的基礎，使得我們更進一步的從細胞或亞細胞水平研究顳下頜關節盤的生物力學成為可能，代表了顳下頜關節盤生物力學的研究方向。

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