顳下頜關(guān)節(jié)盤的生物力學(xué)表現(xiàn)

宋志華

(赤壁市蒲紡醫(yī)院，湖北赤壁437321)

顳下頜關(guān)節(jié)(Temporomandibular Joint，TMJ)是人體最為復(fù)雜、精細(xì)的關(guān)節(jié)之一，左右各一，雙側(cè)聯(lián)動(dòng)，構(gòu)成一功能單位，共同完成咀嚼、吞咽、語言、表情等功能活動(dòng)。關(guān)節(jié)盤是人體顳下頜關(guān)節(jié)的重要組成部分，具有緩沖震蕩、分散載荷、穩(wěn)定關(guān)節(jié)的作用［1］。從1980年以來出現(xiàn)了許多關(guān)于顳下頜關(guān)節(jié)的生物力學(xué)研究，通過各種實(shí)驗(yàn)的、機(jī)械的、數(shù)值的研究方法進(jìn)行TMJ的生物力學(xué)研究，并且有實(shí)驗(yàn)與動(dòng)物模型的研究證實(shí)了顳下頜關(guān)節(jié)在受到載荷的時(shí)候所行使的功能［2］，但是關(guān)于更詳細(xì)的關(guān)節(jié)載荷的分布數(shù)據(jù)還是不完整。人體顳下頜關(guān)節(jié)咀嚼系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對于預(yù)測關(guān)節(jié)在行使功能時(shí)所受到的載荷仍是一個(gè)很有用的工具［3］，隨著生物力學(xué)學(xué)科的迅猛發(fā)展，有很多關(guān)于TMJ生物力學(xué)的研究也不斷深入并取得了很多有意義的結(jié)果。

1 關(guān)節(jié)盤的粘彈性

顳下頜關(guān)節(jié)盤的功能是增強(qiáng)協(xié)調(diào)關(guān)節(jié)骨面在下頜運(yùn)動(dòng)期間的穩(wěn)定(特別是開口時(shí))，分散應(yīng)力覆蓋更大的面積，并且使滑膜液體分散。關(guān)節(jié)盤由水、膠原、糖蛋白、彈性硬朊、纖維軟骨和類軟骨細(xì)胞組成。這些大分子在生物學(xué)組織的粘彈特性中發(fā)揮著一定作用。水于組織間隙之間的運(yùn)動(dòng)可影響組織之間的變形，組織的滲透性在關(guān)節(jié)盤和軟骨的各項(xiàng)特異性中發(fā)揮重要的作用。關(guān)于顳下頜關(guān)節(jié)彈性模量的研究有很多，最早是在1985年的Fontenot對顳下頜關(guān)節(jié)盤彈性模量的研究。通常，彈性模量是通過固定的試驗(yàn)方法來測量微小的樣本［4］。但是由于不同的試驗(yàn)方法跟不同的新的測量工具的應(yīng)用是我們不能夠方便的比較各類研究的結(jié)果。Hatton［5］與他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)牛與豬的關(guān)節(jié)跟人類的有相似之處，它們的關(guān)節(jié)都能進(jìn)行側(cè)方運(yùn)動(dòng)，但是在功能上豬要更加接近人類一些。由于這些動(dòng)物模型之間的差異導(dǎo)致關(guān)機(jī)盤在載荷拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力的時(shí)候，主要的影響因素是各個(gè)模型各自彈性模量的性質(zhì)與屬性，所以負(fù)載下生物材料的粘彈特性使其具有不同的力學(xué)表現(xiàn)，即當(dāng)載荷率增加時(shí)，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?yàn)樵谳d荷加速時(shí)，粘彈性材料可以產(chǎn)生更高的彈性模量。也有學(xué)者通過比較兩種不同載荷率下壓縮人TMJ關(guān)節(jié)盤而產(chǎn)生的彈性模量證實(shí)，人顳下頜關(guān)節(jié)盤具有良好的粘彈特性，表明TMJ具有很強(qiáng)的力學(xué)適應(yīng)特性。

2 關(guān)節(jié)盤的拉伸模量

關(guān)節(jié)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?yàn)檫@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(guān)節(jié)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(jié)締組織的主要成分。關(guān)節(jié)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(zhì)的強(qiáng)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(fā)現(xiàn)豬的關(guān)節(jié)盤在前后帶方向受到的張力可以達(dá)到76.4MPa，而在中間帶與側(cè)方上只能承受3.2MPa的張力(張力比，500mm/min)。而有趣的是研究發(fā)現(xiàn)在中間帶這個(gè)區(qū)域，內(nèi)側(cè)與側(cè)方的拉伸模量也是不同的，這說明膠原纖維在這兩個(gè)區(qū)域其所受力的分布也是不同的。Tanaka研究證實(shí)牛的關(guān)節(jié)盤的側(cè)方與內(nèi)側(cè)區(qū)域的拉伸模量要大于中間帶。然而，Tanne［7］研究證實(shí)在豬的關(guān)節(jié)盤中拉伸模量在中間帶要大于側(cè)方。也許這種差異是由于不同動(dòng)物咀嚼方式上的差異造成的。有學(xué)者研究關(guān)節(jié)盤橫向單向拉伸試驗(yàn)表明，關(guān)節(jié)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(yīng)力在5%的應(yīng)變內(nèi)改變較小，屬于生理性應(yīng)變區(qū)，代表了關(guān)機(jī)盤在功能狀態(tài)時(shí)應(yīng)力、應(yīng)力變化的生理范圍。關(guān)節(jié)盤的破壞應(yīng)變?yōu)?1% ～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(guān)節(jié)盤的剪切模量

對于在關(guān)節(jié)滑液中的關(guān)節(jié)盤的剪切性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)［8］，剪切力會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的疲勞、損傷和畸形。因此，剪切模量的數(shù)據(jù)有助于更好的理解次生組織的損耗。在關(guān)節(jié)受到載荷的時(shí)候很有可能存在剪切力，這是由于第一在解剖學(xué)上關(guān)節(jié)盤的表面并不是一個(gè)平面，所以所受到的力也不是一樣的。另外一個(gè)原因是在關(guān)節(jié)盤各個(gè)層面上的組織結(jié)構(gòu)上的不同，也會(huì)導(dǎo)致剪切力的存在。

Nakano等［9］研究證實(shí)在關(guān)節(jié)盤的不同層面其生物力學(xué)的特性也不一樣，同樣也會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)盤承受剪切力，并在有限元法研究關(guān)節(jié)盤的3層不同組織中得到證實(shí)［10］。曾經(jīng)也有報(bào)道說關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)盤受到剪切力時(shí)要考慮到非線性、非均質(zhì)性與受力時(shí)間的長短。未來需要研究的是關(guān)于在關(guān)節(jié)盤受到動(dòng)態(tài)的剪切力的作用下關(guān)節(jié)盤的特性。

4 關(guān)節(jié)盤的適應(yīng)性改變

在人的一生中由于各種因素的不斷變化，關(guān)節(jié)盤的生物力學(xué)行為也在不斷的改變。但是GAG復(fù)合物在關(guān)節(jié)盤中受機(jī)械力時(shí)的詳細(xì)的機(jī)制不是很清楚，特別是硫酸軟骨素、硫酸膚質(zhì)和透明質(zhì)酸酶的一些機(jī)制［12］。盡管粘蛋白復(fù)合體在承受靜態(tài)載荷的時(shí)候能夠降低其負(fù)荷，但是關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定是在承受動(dòng)態(tài)載荷時(shí)粘蛋白復(fù)合體發(fā)揮作用的重要因素［13］。相反，有的研究表明在關(guān)節(jié)軟骨在有關(guān)節(jié)滑液存在的時(shí)候所承受的最大載荷要小于實(shí)際的載荷;而當(dāng)外界應(yīng)力減小的時(shí)候關(guān)節(jié)中的粘蛋白與GAG復(fù)合物也趨向于恢復(fù)到正常的水平;這種改變有可能影響到關(guān)節(jié)盤的機(jī)械性能。此外核心蛋白多糖能夠增加Ⅰ型蛋白的直徑，加強(qiáng)膠原纖維的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)盤能夠更好的抵抗張力［14］。因此只有充分的理解顳下頜關(guān)節(jié)盤功能改型的結(jié)果，才能對關(guān)節(jié)盤的機(jī)械性能進(jìn)行更深遠(yuǎn)的研究。

5 關(guān)節(jié)盤內(nèi)部構(gòu)建與力學(xué)性能的關(guān)系

近來的超微結(jié)構(gòu)研究認(rèn)為［15］關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)盤四周存在環(huán)形膠原環(huán)結(jié)構(gòu)，對傳遞、分散應(yīng)力有重要作用。對關(guān)節(jié)盤冠狀方向拉伸試驗(yàn)的超微結(jié)構(gòu)變化研究表明:6%應(yīng)變下，盤前帶內(nèi)外向(與載荷方向一致)膠原被拉直，未發(fā)現(xiàn)有膠原原纖維的破壞，而中帶和后帶發(fā)生局部膠原原纖維的拉伸、剪切破壞，表面波紋消失，證實(shí)了盤內(nèi)部膠原構(gòu)筑是其發(fā)揮生物力學(xué)功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，關(guān)節(jié)盤抗橫向位伸的生理應(yīng)變范圍應(yīng)在5%的應(yīng)變內(nèi)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn):機(jī)械應(yīng)力對大鼠關(guān)節(jié)盤內(nèi)糖胺多糖合成的影響，發(fā)現(xiàn)隨應(yīng)力水平的增加，硫酸軟骨素-6的含量成比例增加，但透明質(zhì)酸含量下降，硫酸膚質(zhì)沒有變化，提示關(guān)節(jié)盤內(nèi)的壓縮力可以刺激關(guān)節(jié)盤向軟骨樣結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。盡管關(guān)節(jié)盤的適應(yīng)性非常有限，盤內(nèi)基質(zhì)仍處于一定的動(dòng)態(tài)改建之中以適應(yīng)功能的需要。

6 結(jié)論

顳下頜關(guān)節(jié)盤的生物力學(xué)行為就像一個(gè)彈性結(jié)構(gòu)，通過這種結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)盤能夠吸收與分散所受到的壓力，因此關(guān)節(jié)盤的骨組織、軟骨組織能夠借助這種結(jié)構(gòu)承受作用于關(guān)節(jié)盤上集中的應(yīng)力與過度的壓力，也正是由于這種結(jié)構(gòu)可以保護(hù)關(guān)節(jié)盤不會(huì)變性、穿孔、變薄，不會(huì)形成骨關(guān)節(jié)病，髁突不會(huì)改型與增生。有限元法將研究對象的整體結(jié)構(gòu)看成是由不同的結(jié)構(gòu)和組織組成，通過網(wǎng)格劃分的有限個(gè)單元實(shí)體相互連接而成的幾何實(shí)體，由每個(gè)小單元力學(xué)的總效果來反映研究對象的整體力學(xué)特征。有限元法已被證明是一個(gè)適合于分析顳下頜關(guān)節(jié)受力的工具，從1990年以來三維有限元發(fā)用于研究顳下頜關(guān)節(jié)、顳下頜關(guān)節(jié)盤以來，該方法已經(jīng)得到了長足的發(fā)展。例如，能夠通過這個(gè)模型預(yù)測出關(guān)節(jié)盤各個(gè)組成部分所受到的壓力和與關(guān)節(jié)盤所接觸的各個(gè)部分需要的彈性模量的大?。?6］。然而，迄今為止顳下頜關(guān)節(jié)盤彈性模量的性質(zhì)在顳下頜關(guān)節(jié)的這些模型中是呈線性分布的，這個(gè)對于將來模型在關(guān)節(jié)盤復(fù)合體中的的發(fā)展將是一個(gè)挑戰(zhàn)。最近一個(gè)可利用的關(guān)節(jié)的對照的模型就是二項(xiàng)性模型，這個(gè)模型可以描述關(guān)節(jié)受到撞擊時(shí)吸收沖擊的特性。在有磨牙癖的患者和正常咀嚼的時(shí)候雖然應(yīng)力的分布跟關(guān)節(jié)盤受到的載荷直接有關(guān)，但是前帶跟后帶在吸收與分散應(yīng)力上還是起到很重要的作用。絕大多數(shù)有關(guān)TMJ生物力學(xué)的研究結(jié)果都是宏觀力學(xué)水平獲得的，對生物力學(xué)的研究起了重要的促進(jìn)作用，但是，由于生理因素的復(fù)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(xué)參數(shù)還不能完全用于人類生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的研究和應(yīng)用。雖然有不少TMJ軟骨細(xì)胞、關(guān)節(jié)盤細(xì)胞的體外培養(yǎng)研究，但是目前關(guān)于顳下頜關(guān)節(jié)盤細(xì)胞生物力學(xué)方面的研究報(bào)道還不是很多，對于軟骨細(xì)胞生物力學(xué)行為的研究在微觀上其主要的機(jī)制還不清楚。盡管如此，以上的研究為顳下頜關(guān)節(jié)盤生物力學(xué)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)，使得我們更進(jìn)一步的從細(xì)胞或亞細(xì)胞水平研究顳下頜關(guān)節(jié)盤的生物力學(xué)成為可能，代表了顳下頜關(guān)節(jié)盤生物力學(xué)的研究方向。

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