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编号:10274490
颞下颌关节盘对不同力学类型的反应性研究——扫描电镜研究
http://www.100md.com 《实用口腔医学杂志》 1999年第2期
     作者:康 宏 易新竹 徐小川 陈孟诗

    单位:康宏 易新竹 华西医科大学口腔医学院 610041;徐小川 现在北京积水潭医院工作;陈孟诗 四川联合大学工程力学系

    关键词:颞下颌关节;关节盘;机械力学;扫描电镜

    实用口腔医学杂志990201 〔摘要〕 目的:观察人体颞下颌关节盘在拉伸和压缩状态下的超微结构改变,探讨机械应力导致关节盘破坏的有关机理。方法:用扫描电镜观察关节盘不同应变水平(2%、3%、4%、6%)拉伸试件及不同时间(150 s,3 h)围限压缩试件的变化。结果:关节盘在2%~4%应变下结构正常,6%应变产生中、后带局部胶原原纤维横向拉伸剪切破坏。150 s压缩,盘表面波纹尚存;3 h压缩,蛋白多糖大量丢失,胶原网暴露,胶原—蛋白多糖网状支架受压变形不能再复原。结论:关节盘可承受的最大横向拉应变为5%(约0.22 MPa拉应力)。持续长时压缩可造成关节盘内部构筑不可复性改变。推测机械因素可能是导致关节盘破坏的重要病理机理。
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    Response of the human temporomandibular joint (TMJ)disc to mechanical

    stress.I. Scanning electronic microscope investigation

    Kang Hong,Yi Xinzhu,Xu Xiaochuan,et al.

    College of Stomatology,West China University of Medical Sciences,Chengdu,610041

    〔Abstract〕 Objective:To observe the ultrastructural changes of the TMJ disc in response to tension and compression and to study the mechanism of disc failure by mechanical stress.Methods:SEM was used to observe the morphologic feature of TMJ disc samples in stress relaxation at different strain rate (2%,3%,4%and 6%)and in compression for 150 seconds and 3 hours.Results:Tensile and shear destruction of local collagen fibrils was observed in intermediate zone (IZ) and posterior band (PB) in the samples in 6% strain.Changes of wave-like structure in the samples treated with 150 seconds compression were reversible;severe deformation of collagen architecture in those with 3-hours compression was irreversible.Conclusion:The maximal physiological tensile strain of the TMJ disc in mediolateral direction may be 5%(nearly 0.22 MPa of tenlile stress).Long-time compression may result in unrecoverable disc failure. Mechanical stress must be an important factor for disc failure.
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    Key words Temporomandibular joint;Articular disc;Mechanical stress; Scanning electron microscope

    颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)盘在下颌的各种功能运动中,不断地承受来自各方向的拉伸、压缩、剪切力载荷,其主要作用在于缓冲压力,分散载荷,协调关节窝、关节盘和髁突之间的关系〔1〕。关节盘变形、移位、穿孔等是TMJ内紊乱的特征,但造成盘破坏的机理还不明确。既往研究多认为关节盘是TMJ的被动组成部分,适应功能改变需要的能力很小〔2〕。因而机械因素对关节盘的承载会产生很大影响。近年来拉伸力学和压缩力学方法已成功地应用于TMJ盘生物力学性质的动物实验研究〔3、8〕,但由于人体TMJ盘前后径很小,详细分区并制备前后向拉伸试件困难,本研究参考Teng等〔3〕对家犬关节盘拉伸力学实验的方法,通过横向拉伸试验反映关节盘的拉伸力学性质,用围限压缩实验反映盘的压缩力学特性。通过扫描电镜(SEM)观察考察关节盘在拉伸和压缩状态下的超微结构变化,探讨机械应力造成盘损伤的病理机理。
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    1 材料和方法

    1.1 标本来源

    收集4具新鲜尸体的TMJ标本,年龄8~15岁,男3女1例,置密封塑料袋中,-20 ℃冰箱保存待用。

    1.2 试件制备

    逐渐解冻标本,剖开关节囊,肉眼及体视镜下观察盘表面光滑,无穿孔或增生物。用林格液冲去滑液,取出关节盘,按Teng等采用的方法,在恒冷切片机(Cryostat,USA,-20 ℃)中用特制等距离刀切取等宽2 mm的盘前带(AB)、中带(II)、后带(PB)标本,然后分层切取厚度为200 μm的长方形横向拉伸试件,其中弃去部分前、后带,不规则试件不要。为控制压缩试件所承受的压应力大小(压应力σ=F/Ao,Ao=πD2/4,F为压头总重量,Ao为压头面积),用直径为2 mm、3 mm、4 mm的不锈钢冲头垂直于盘表面切取各带圆柱形压缩力学试件,使实验所选用的压应力值(0.5~2.0 MPa)与Tanne等〔7〕对人体TMJ有限元模型分析所承受的载荷的理论估计值(0.5~1.5 MPa)相近。制备后的试件置-4 ℃冰箱保存,1周内完成实验。
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    1.3 拉伸力学和围限压缩实验

    经过预调,试件在软组织拉伸仪(Revere Co,USA,UMPI-005A)上完成不同应变水平(2%~4%、6%)下拉伸应力松弛和拉伸破坏实验〔3,4〕。在围限压缩仪(美国产传感元件,成都科技大学生物力学研究室装)上完成150 s和3 h压缩蠕变实验〔5〕。同步记录应力松弛、应力应变和蠕变曲线。

    1.4 SEM观察

    随机选取不同应变水平拉伸试件和不同时间各种压缩试件各二组,置30 g/L戊二醛中4 ℃固定48 h,体积分数(φ)为30%~100%乙醇逐级脱水,乙酸异戊酯替换无水乙醇30 min,常规CO2临界点干燥,表面喷金,KYKY-AMRAY 1000B (USA)扫描电镜下观察。

    2 结 果
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    2.1 关节盘拉伸实验结果

    关节盘各区带的生理性坡脚区(toe-region)位于5%拉应变范围内。坡脚区代表3组织所承受的正常生理应力和应变范围(见图1)。

    图1 关节盘各带的应力一应变曲线(XAB,XIZ,XPB

    分别表示拉伸试件断裂,坡脚区应变范围在5%以内)

    2.2 SEM观察

    对拉伸试件电镜观察表明,盘各带都呈一定的波纹样结构,在2%~4%应变水平,位伸应变对盘内部胶原构筑无明显影响,但表面波纹变平坦。图2为4%应变前带应力松弛100 s,未见胶原原纤维撕裂剪切现象,胶原完整包埋在蛋白多糖基质中。在6%应变水平,盘中、后带表现有局部的胶原原纤维拉伸剪切破坏,胶原与周围基质分界明显(图3),反映出关节盘前带抗横向拉伸的能力略强于中、后带,且各区横向拉伸最大应变不大于5%,这与关节盘应力应变曲线坡脚区的范围相一致。
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    图2 4%应变 前带,胶原完整包埋在蛋白多糖基质中。

    图3 6%应变 后带,局部胶原原纤维撕裂,胶原与基质分界明显。

    在给定力值范围内,对压缩试件的SEM观察表明,150 s压缩,主要表现为波浪状结构变浅,但无明显的凝胶层卷曲脱落和胶原网的暴露(图4,D=2 mm,σ=2.0 MPa)。3 h压缩,盘表面凝胶层剥脱,内部胶原网暴露,大量蛋白多糖丢失,胶原-蛋白多糖网受压变形严重,不能再复原(图5,D=2 mm,σ=2.0 MPa)。说明持久压缩可造成关节盘内部结构不可逆性损害。

    图4 150 s压缩,D=2 mm关节盘后带,表面如脑回状,无凝胶层破坏,未见胶原网暴露。
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    图5 3 h压缩,盘中带,D=2 mm,暴露凝胶层下的胶原束,蛋白多糖大量丢失,支架变形。

    3 讨 论

    关节盘主要由大量I型胶原、水和蛋白多糖及少量细胞和弹性纤维组成。与其它软组织不同,它被认为是一种具有粘弹性的多孔隙可渗透性生物二相体〔3~5,8〕。粗大的胶原纤维束赋予关节盘一定的抗拉伸能力,而蛋白多糖因其强烈的吸水性质使胶原—蛋白多糖网能有效地维持盘内的膨胀压,借助盘表面由蛋白多糖等基质成分组成的凝胶层和盘内液体基质的流动支配盘的抗力特性与营养代谢过程。因此,通过拉伸和压缩实验可以反映关节盘在拉伸和压缩状态的机械反应性。

    拉伸应力松弛和压缩蠕变特性是关节盘粘弹性的重要表现之一。关节盘受到拉伸或压缩载荷时,内部产生应力分布,随着大量间隙液流出,固体基质变形,组织内应力逐渐松弛并达到平衡。载荷继续增大,组织完全通过固相基质的刚性维持盘内的高应力状态,这是盘自身结构的一种保护性反应,以避免组织遭受损伤。戴荷消除,盘内稳态平衡恢复。但载荷过大或承载过久,会造成盘表面凝胶层脱落。盘内胶原结构的微小损伤,蛋白多糖结构和构型改变,吸水性能下降,胶原网暴露,盘内的膨胀压力体系破坏,营养代谢被阻断,关节盘的抗力性能下降。这与谷志远等〔6〕对颞颌关节紊乱症(TMJD)患者关节盘的电镜研究结果极为相似。本研究证实,在6%应变下,中、后带胶原原纤维已出现局部位伸剪切破坏(图3)。3 h持续压缩可致胶原网严重变形,蛋白多糖大量丢失,破坏具有不可复性(图5)。说明在5%拉应变内(相当于0.22 MPa拉应力,图1),关节盘可以承受横向拉伸和压缩载荷而不引起组织损伤。Teng等〔3〕对家犬TMJ关节盘进行了横向拉伸实验,得出其拉伸应变范围为4%,与本研究相近。由于目前还不能确定有关人体TMJ盘在功能活动中所承受的最大压力值,本实验所选用的体外压应力值范围是否为生理性压力还有待进一步研究。但对短时压缩(150 s)的SEM观察表明,关节盘可以承受该力值并且在短时间内所产生的超微结构改变可逆,而持续恒力过长可造成关节盘不可逆性损害。
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    4 结 论

    由机械应力造成的盘内胶原微小损伤和盘表面凝胶层脱落,胶原网暴露,胶原-蛋白多糖支架变形,导致盘内膨胀压平衡体系破坏,可能是关节盘受损的重要病理机理。这对研究因夜磨牙、紧咬牙及其它因素造成关节负荷过大而发生TMJD的病因病理有一定意义。

    参考文献

    1 Bewyer DC.Biomechanical and physiologic processes leading to internal derangement with adhesion.J Craniomandib Disord Facial Oral Pain,1989,3:144

    2 Hasson TL.Current concepts about the temporomandibular joint.J Prosthet Dent,1986,55:370
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    3 Shengyi T,Yinghua X,Mongshi C,et al. Biomechanical properties and collagen fiber orientation of the TMJ discs in doys.Part 2. Tensile mechanical properties of the disc.J Craniomandib Disord Facial Oral Pain,1991,5:107

    4 康宏.人体颞下颌关节软组织生物力学研究:〔学位论文〕.成都:华西医科大学,1997

    5 徐小川.人体颞下颌关节软骨生物力学及抗力结构研究:〔学位论文〕.成都:华西医科大学,1997

    6 谷志远,张震康,孙开华,等.颞下颌关节紊乱综合征患者髁突及关节盘电镜和光镜研究.中华口腔医学杂志,1991,26:18
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    7 Tanne K,Tanaka E,Sakuda M.Stress distributions in the TMJ during clenching in patients with vertical discrepancies of the craniofacial complex.J Orofac Pain,1995,9:153

    8 Kuboki T,Shinoda M,Orsini MG,et al.Viscoelastic properties of the pig TMJ articular soft tissues of the condyle and disc.J Dent Res,1997,76:1760

    (收稿:1998-05-07修回:1998-09-07), http://www.100md.com