關(guān)節(jié)腔內(nèi)摩擦系數(shù)對顳下頜關(guān)節(jié)系統(tǒng)生物力學(xué)特性的影響

賴林鋒++++++方一鳴+++++++吳立軍++++++熊國鋒

[摘要] 目的 研究關(guān)節(jié)腔內(nèi)摩擦系數(shù)對顳下頜關(guān)節(jié)（TMJ）系統(tǒng)生物力學(xué)特性的影響，探討摩擦系數(shù)改變因素在顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病發(fā)生、發(fā)展過程中的作用。 方法 通過自主建立的顳下頜關(guān)節(jié)系統(tǒng)三維有限元模型，應(yīng)用有限元軟件對顳下頜關(guān)節(jié)系統(tǒng)進行力學(xué)分析，觀察摩擦系數(shù)改變時的關(guān)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)力分布及大小變化。結(jié)果 當(dāng)移位側(cè)關(guān)節(jié)盤摩擦系數(shù)增大時，相應(yīng)該側(cè)的關(guān)節(jié)盤、髁突所受應(yīng)力也隨即增大。 結(jié)論 顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病與關(guān)節(jié)腔內(nèi)摩擦系數(shù)關(guān)系密切，關(guān)節(jié)紊亂會導(dǎo)致關(guān)節(jié)摩擦系數(shù)增大，摩擦系數(shù)增大會促進顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞] 顳下頜關(guān)節(jié)；摩擦系數(shù)；生物力學(xué)分析；關(guān)節(jié)紊亂

[中圖分類號] R782.6 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-9701（2017）32-0019-04

[Abstract] Objective To study the effect of intra-articular friction coefficient on the biomechanical properties of temporomandibular joint system， and to explore the status of friction coefficient change in the development and progression of temporomandibular joint disorder. Methods The temporomandibular joint system was mechanically analyzed with finite element software through independently-established dimensional finite element model of temporomandibular joint system. The changes of stress distribution and size of the joint system were observed when the friction coefficient was changed. Results When the friction coefficient of the articular disc in the displacement side was increased， the stress of the articular disc and the condyle was increased. Conclusion The temporomandibular joint disorder is closely related to the friction coefficient in the joint cavity. The joint disorder can lead to the increase of the friction coefficient， and the increase of the friction coefficient will promote the development of temporomandibular joint disorder.

[Key words] Temporomandibular joint； Friction coefficient； Biomechanical analysis； Intra-articular

顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病是口腔常見疾病，因其病因復(fù)雜，目前尚無定論，關(guān)節(jié)內(nèi)紊亂、微小創(chuàng)傷、關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力被認為是重要發(fā)病因素。因此，對關(guān)節(jié)內(nèi)解剖形態(tài)、摩擦系數(shù)及負荷等的變化加以研究，可促進對顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病發(fā)生發(fā)展的理解，為診斷和治療顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病提供必要的基礎(chǔ)。

隨著對顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病認識的不斷深入，關(guān)節(jié)潤滑與摩擦在顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病中的作用越來越受到重視。通過補充關(guān)節(jié)滑液的成分來治療或緩解關(guān)節(jié)癥狀依然是研究的熱點[1]，但其具體治療機制尚未闡明，療效多依靠臨床經(jīng)驗，缺少科學(xué)依據(jù)及治療標(biāo)準(zhǔn)。2016年10月至今，本研究通過實驗對比不同摩擦系數(shù)下的顳下頜關(guān)節(jié)系統(tǒng)生物力學(xué)的變化，以此來探討摩擦系數(shù)改變在顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病進程中的作用及其生物力學(xué)致病機制，提高臨床治療顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的能力，也可為探索新的治療方法提供思路。

1材料與方法

1.1顳下頜關(guān)節(jié)系統(tǒng)三維有限元模型建立

選取1例單側(cè)不可復(fù)性顳下頜關(guān)節(jié)盤前移位患者為實驗對象。應(yīng)用CT和MRI各自成像的優(yōu)勢，通過Mimics三維重建軟件及Geomagic逆向工程軟件，實現(xiàn)對顳下頜關(guān)節(jié)系統(tǒng)的整體集成建模。將集成后的顳下頜關(guān)節(jié)系統(tǒng)的表面網(wǎng)格模型以IGES格式導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys11.0進行自動網(wǎng)格劃分有限元單元和結(jié)點。建模具體方法見參考文獻[2]。建立包括上下頜骨、全牙列及關(guān)節(jié)盤的顳下頜關(guān)節(jié)系統(tǒng)個體化三維數(shù)字模型。模型見圖1。

1.2 實驗條件假設(shè)和材料力學(xué)參數(shù)

將模型中各種組織、材料設(shè)為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性材料，變形為小變形。實驗中各材料的材料常數(shù)參照相關(guān)研究[3-5]（表1）。

1.3邊界約束和載荷條件

約束兩側(cè)頜骨、顳骨表面所有自由度。載荷采用正中咬合時的肌肉力向量，結(jié)果參考吳立軍[6]的計算，建模時用肌束來模擬每塊肌力的作用。另外，為避免上下頜牙齒之間的接觸穿透，在上、下頜牙齒之間設(shè)置彈性約束。

1.4 內(nèi)接觸單元的設(shè)計

顳下頜關(guān)節(jié)內(nèi)盤-突間的位置關(guān)系及相互接觸的方式是模擬準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。為此，我們對關(guān)節(jié)盤、髁突以及顳骨之間均設(shè)置為面-面接觸單元對，用以模擬關(guān)節(jié)盤和髁突及顳骨的接觸狀態(tài)及關(guān)節(jié)盤的滑動與摩擦。Tanaka E等[7]研究認為正常TMJ的摩擦系數(shù)為0.001，故我們對正常側(cè)關(guān)節(jié)盤采用摩擦系數(shù)為0.001，一般認為滑膜液可使關(guān)節(jié)軟骨的摩擦系數(shù)<0.15，而當(dāng)關(guān)節(jié)盤移位時，關(guān)節(jié)內(nèi)滑液的質(zhì)和量均發(fā)生改變，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)的增大。一些學(xué)者曾對關(guān)節(jié)腔內(nèi)的摩擦系數(shù)進行分析比較研究，發(fā)現(xiàn)較低的摩擦系數(shù)對關(guān)節(jié)腔內(nèi)應(yīng)力分布的影響不明顯[8，9]，因此，我們將前移位側(cè)關(guān)節(jié)盤的摩擦系數(shù)分別設(shè)為0.001、0.3和0.4，觀察其應(yīng)力的變化。endprint

2結(jié)果

摩擦系數(shù)改變對髁突、關(guān)節(jié)盤應(yīng)力峰值大小及分布的影響見圖2、3。當(dāng)前移位側(cè)關(guān)節(jié)盤摩擦系數(shù)增大時，相應(yīng)該側(cè)的關(guān)節(jié)盤、髁突Von Mises應(yīng)力最大值均呈上升趨勢，關(guān)節(jié)盤應(yīng)力從3.87 Mpa增加到7.77 Mpa，髁突表面最大應(yīng)力從1.17 Mpa增加到1.57 Mpa，而對側(cè)關(guān)節(jié)盤、髁突Von Mises應(yīng)力最大值卻呈逐步遞減趨勢，分別從2.21 Mpa下降到1.49 Mpa及0.94 Mpa下降到0.61 Mpa。觀察應(yīng)力分布云圖我們發(fā)現(xiàn)正常側(cè)其關(guān)節(jié)盤Von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中間帶外側(cè)部，且分布較均勻（圖4）；而前移位側(cè)其關(guān)節(jié)盤中帶出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象（圖5）；正常及關(guān)節(jié)盤移位側(cè)髁突的應(yīng)力分布主要集中在髁突的前斜面（圖6、7）。同時發(fā)現(xiàn)，在關(guān)節(jié)腔內(nèi)摩擦系數(shù)改變時，對關(guān)節(jié)盤及髁突應(yīng)力分布影響不明顯。

3 討論

顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病病因復(fù)雜，關(guān)節(jié)內(nèi)紊亂、關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力改變被認為是重要發(fā)病因素，而關(guān)節(jié)腔內(nèi)摩擦系數(shù)的改變是否影響顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的發(fā)生發(fā)展尚存爭議，也缺乏生物力學(xué)機制研究。

越來越多的文獻報道關(guān)節(jié)盤移位會出現(xiàn)關(guān)節(jié)疼痛、骨關(guān)節(jié)病甚至頜面發(fā)育畸形等[10]。關(guān)節(jié)盤移位時， 關(guān)節(jié)盤不再獲得正常功能下的水合作用，可導(dǎo)致關(guān)節(jié)盤的萎縮和吸收，或者出現(xiàn)雙板區(qū)和關(guān)節(jié)盤的纖維化及關(guān)節(jié)盤表面的不規(guī)則，如裂縫、原纖維形成，使其與關(guān)節(jié)窩和關(guān)節(jié)軟骨之間的摩擦增大，因此認為關(guān)節(jié)盤移位會對顳下頜關(guān)節(jié)的潤滑系統(tǒng)造成破壞[11]。

顳下頜關(guān)節(jié)是聯(lián)動關(guān)節(jié)，包括轉(zhuǎn)動和滑動運動，勢必承受各種機械應(yīng)力和摩擦力，因此關(guān)節(jié)滑液、關(guān)節(jié)盤和髁突軟骨間的共同精細協(xié)作才能保證關(guān)節(jié)低摩擦和低磨損的能力[12]。在關(guān)節(jié)紊亂情況下往往出現(xiàn)滑液質(zhì)和量的改變，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)盤摩擦系數(shù)的增大。長期重負荷或不適受力會導(dǎo)致關(guān)節(jié)盤表面形態(tài)改變，關(guān)節(jié)盤表面原有的膠原纖維網(wǎng)破壞，凝膠樣物質(zhì)減少，從而使關(guān)節(jié)腔內(nèi)摩擦力增大，破壞關(guān)節(jié)潤滑機制[13-19]。

隨著對顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病認識的不斷深入，關(guān)節(jié)潤滑與摩擦在顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病中的作用越來越受到重視。本實驗通過改變患側(cè)關(guān)節(jié)盤的摩擦系數(shù)后觀察關(guān)節(jié)盤、髁突應(yīng)力峰值及分布的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)移位側(cè)關(guān)節(jié)盤摩擦系數(shù)增大時，相應(yīng)該側(cè)的關(guān)節(jié)盤、髁突所受應(yīng)力也隨即增大。因此，認為關(guān)節(jié)盤移位后導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大時，會增大關(guān)節(jié)盤及髁突表面的應(yīng)力，從而會促進顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的發(fā)展。同時，隨著顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的發(fā)展，又會導(dǎo)致摩擦系數(shù)的增大，Nitzna DW[20]研究也表明摩擦系數(shù)的增加與顳下頜關(guān)節(jié)病變的相關(guān)性。為此，通過關(guān)節(jié)滑液的成分補充及關(guān)節(jié)腔內(nèi)的灌洗治療降低關(guān)節(jié)腔內(nèi)的摩擦系數(shù)來達到緩解或治療關(guān)節(jié)紊亂病的目的有其一定的根據(jù)。本研究進一步證明了顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病與關(guān)節(jié)腔內(nèi)摩擦系數(shù)的相關(guān)性，故改變關(guān)節(jié)腔內(nèi)的摩擦系數(shù)也是緩解和治療顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的一種手段。

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（收稿日期：2017-08-18）endprint