人顳下頜關(guān)節(jié)軟骨彈性模量的測定

1、    人顳下頜關(guān)節(jié)軟骨彈性模量的測定        【摘要】 目的：測試人顳下頜關(guān)節(jié)（Temporomandibular Joint,TMJ）軟骨不同解剖區(qū)域的彈性模量，分析顳下頜關(guān)節(jié)病的力學(xué)致病機理。方法： 通過生物力學(xué)的研究手段，測量了8個TMJ軟骨的彈性模量(E)及厚度(H)，用SPCC/PC+軟件進行統(tǒng)計分析。結(jié)果：關(guān)節(jié)軟骨各區(qū)域中關(guān)節(jié)窩前斜面彈性模量最大、厚度最薄（E=23.94±9.95Mpa，H=0.543±0.140mm）；而髁突后斜面彈

2、性模量最小、軟骨最厚（E=16.90±9.86Mpa，H=0.936±0.325mm）。未發(fā)現(xiàn)彈性模量與厚度之間有明顯的相關(guān)關(guān)系。結(jié)論：認(rèn)為TMJ軟骨各區(qū)彈性模量的差異是后天功能刺激所致，其抗力能力不僅依賴厚度因素。關(guān)鍵詞: 顳下頜關(guān)節(jié)；生物力學(xué)；壓凹實驗；彈性模量中號：R782文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3761(2000)01-0014-04The mcasurement of elastic modulus of normal cadaver TMJ cartilageXU Xiao-chuanWANG Yu-weiKANG Hong（College of St

3、omatology, West China University of Medical Science. Chengdu, 610041）【Abstract】 Objective: The initial purposes were to detect Elastic Modulus (E) and thickness of normal TMJ cartilage of cadaver material and analyse the biomechanics mechanism of TMJ diseases. Methods: Eight TMJ cadavers were measur

4、ed using the Indentation Test. Results: Its show that the highest E appears in the anterrior slope of glenoid fossa with the thinnest cartilage, while the lowest E in the posterior region of condyle with the thickest cartilage (E=23.94±9.95Mpa, H=0.543±0.140mm, E=16.90±9.86Mpa, H=0.93

5、6±0.325mm). No correlation was found between E and cartilage thickness. Conclusion: It suggestey that the E discrepancies of the different regions in the TMJ cartilage was acquired from the functional stimulation after birth.Key Words: temporomandibular joint; biomechanics; indentation test; el

6、astic modulus顳下頜關(guān)節(jié)（Temporomandibular Joint,TMJ）關(guān)節(jié)軟骨為纖維軟骨，在運動中起著緩沖震動，吸收載荷的作用1。有不少學(xué)者對人體其它大關(guān)節(jié)軟骨進行了研究2,3,4，但尚未有學(xué)者對人TMJ關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量進行測試；同時，臨床上對下頜關(guān)節(jié)紊亂?。═emporomandibular joint disordes,TMD) 病因的研究缺乏力學(xué)角度的探討，因而使TMJ這一受力關(guān)節(jié)，尤其是人體標(biāo)本的研究仍存在空白。 在軟骨力學(xué)性質(zhì)的研究中，壓凹實驗（Indentation Test）可以迅速從宏觀上了解被測物的壓縮剛度，從而比較不同區(qū)域軟骨的剛度，發(fā)現(xiàn)生物體薄弱

7、環(huán)節(jié)，這比得到精確的固有力學(xué)性質(zhì)更為重要5。同時，壓凹實驗試件下端仍有軟骨下骨附著，可以限制軟骨層的變形；仍和周圍軟骨有聯(lián)系，因而更能代表在體狀況6。彈性模量（Elastic Modulus，E）是材料發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變過程中的比例常數(shù)，用以說明不同組織對變形的抵抗能力，彈性模量越高，產(chǎn)生一定應(yīng)變所需的力越大，組織抵抗變形的能力越大。1 材料和方法1.1 標(biāo)本來源、制備及保存7意外身亡的4人死亡6小時內(nèi)迅速取下雙側(cè)TMJ，放入密封性良好的塑料袋內(nèi)，于-20環(huán)境下保存待用。逐漸解凍標(biāo)本，剖開關(guān)節(jié)囊，以肉眼及體視顯微鏡（SMI型中科院成都光儀廠出品）觀察關(guān)節(jié)各表面。光滑、無溝紋、無裂隙及骨贅者納入。將試

8、件制成一定的形狀，密封好后在-4冰箱內(nèi)保存待用。1.2 實驗儀器、條件8及過程本實驗在壓凹實驗儀（美國產(chǎn)傳感器，成都科大生物力學(xué)實驗室裝）上進行；以X-Y記錄儀同步記錄在恒定壓力下變形與時間的關(guān)系及瞬時壓入深度。在實驗中試件浸入盛有林格氏液的容器，室溫8-12下進行實驗（如1）。1：壓凹實驗示意清潔金屬壓頭表面，固定試件，選好部位突然加載于軟骨，于軟骨表面記錄瞬時加載后軟骨的蠕變曲線，時間為150秒。實驗中壓頭直徑為4mm,3mm,2mm，實驗中以不同規(guī)格的壓頭分別給不同部位不同區(qū)域試件加載，共完成試件147個。1.3 軟骨分區(qū)及厚度測量沿髁頂線將髁突分為內(nèi)側(cè)和外側(cè)，沿髁嵴將其分為前側(cè)和后側(cè)，

9、因而髁突被劃分為四區(qū)：髁頭前外份（Anterior Lateral Condyle,ALC），髁頭前內(nèi)份（Anterior Medial Condyle,AMC），髁頭后外份（Posterior Lateral Condyle,PLC），髁頭后內(nèi)份（Posterior Medial Condyle,PMC）。將關(guān)節(jié)窩前斜面分為外側(cè)和內(nèi)側(cè)：關(guān)節(jié)窩前斜面外側(cè)（Anterior Lateral Slope of Glenoid Fossa,ALSG），關(guān)節(jié)窩前斜面內(nèi)側(cè)（Anterior Medial Slope of Glenoid Fossa,AMSG）。將實驗后軟骨與軟骨下組織分離，用解剖顯微鏡

10、（精確到0.002mm）測定軟骨厚度，共測試件90個。1.4 數(shù)據(jù)處理假定軟骨為線性各相同性不可壓縮體，則由彈性力學(xué)理論得到TMJ軟骨的楊氏模量為：P：作用壓力（6.426N） a：壓頭半徑 W0：初始壓入深度（瞬時彈性響應(yīng)）采用SPCC/PC+軟件對E和軟骨厚度進行方差分析，對兩者相關(guān)關(guān)系以t檢驗。2 結(jié)果本實驗共測定壓凹試件147個（表1）。表1 不同壓頭半徑及區(qū)域下關(guān)節(jié)軟骨彈性模量 (X±SD MPa)432AMC13.25±7.75N=89.17±4.63n=816.40±4.54n=8ALC15.48±7.94N=813.32

11、7;10.4n=1017.83±8.93n=8PMC11.33±5.44N=89.58±3.23n=816.14±8.22n=8PLC10.05±4.44N=79.38±4.72n=917.65±7.96n=8AMSG18.04±11.54N=817.31±14.31n=924.42±11.18n=8ALSG15.19±12.72N=815.77±8.39n=923.39±9.19n=72.1 彈性模量值2.1.1 由表1可以看到同一區(qū)域在使用不同壓頭時存在一種趨勢

12、EALC>EAMC，EAMSG>EALSG，EPMC>EPLC(D=2時除外），但無統(tǒng)計學(xué)意義。相同壓頭不同區(qū)域，除在D=2mm組發(fā)現(xiàn)EAMSG與EALSG，EPMC，EPLC間有差異（P<0.05），其余均未見差異。而同一區(qū)域不同壓頭間也無明顯差異。2.1.2 合并AMC/ALC為AC；PM/PLC為PC；AMSG/ALSG為ASG，得到表2，統(tǒng)計學(xué)表明：表2合并后軟骨彈性模量 (單位：Mpa)432AC14.21±7.56N=1611.22±8.08n=1817.12±6.88n=16PC10.73±5.00N=159.475

13、±3.97n=1716.90±9.86n=16ASG16.62±11.82N=1616.53±11.41n=1823.94±9.95n=15D=4時，EAC/EPC(P<0.05);EASG/EPC (0.025<P<0.05);EASG/EAC(P>0.05)D=3時，EAC/EPC(P<0.05);EASG/EAC(0.001<P<0.05);EASG/EPC (0.01<P<0.025)D=2時，EAC/EPC(P>0.05);EASG/EAC(0.001<P<0.0

14、25);EASG/EPC(0.01<P<0.025)以上提示：ASG和AC或PC間是不同的（D=4,EAPG/EAC除外）,AC和PC間是不同的（D=2,EAC/EPC除外)。相同區(qū)域不同壓頭半徑下彈性模量有差異：AC組：D=4/D=3(P>0.05);D=4/D=2(P>0.05);D=2/D=3(0.01<p<0.025)PC組：D=4/D=3(P>0.05);D=4/D=2(0.005<P<0.01);D=2/D=3(0.0005<P<0.001)ASG組：D=4/D=3(P>0.05);D=4/D=2(0.025&

15、lt;P<0.05);D=2/D=3(0.025<P<0.05)2.2 厚度值由表3可見TMJ關(guān)節(jié)軟骨最厚的區(qū)域在髁頭后份（hPMC=0.93mm，hPLC=0.92mm)，最薄的區(qū)域在關(guān)節(jié)窩前斜面（hAMSG=0.534mm,hALSG=0.705mm）。六個區(qū)域間統(tǒng)計結(jié)果如表4。表3 不同壓頭半徑及區(qū)域下關(guān)節(jié)軟骨厚度 (單位：mm)432合并值A(chǔ)MC0.62±0.09n=40.69±0.27n=60.85±0.59n=60.743±0.410n=16ALC0.80±0.14n=40.87±0.21n=50.93&

16、#177;0.46n=50.876±0.295n=14PMC0.70±0.23n=51.09±.24n=60.96±0.40n=60.936±0.325n=17PLC0.76±0.40n=40.97±0.24n=41.00±0.18n=50.92±0.277n=15AMSG0.54±0.16n=50.59±0.13n=60.79±0.20n=40.543±0.140n=15ALSG0.68±0.017n=50.67±0.11n=60.51

17、7;0.20n=40.605±0.134n=15表4關(guān)節(jié)軟骨不同區(qū)域厚度統(tǒng)計分析表SiteAMCALCPMCPLCAMSGALSGAMC*ALC*PMC*PLC*AMSG*ALSG*P<0.05，*P<0.01 2.3 彈性模量和軟骨厚度相關(guān)分析將彈性模量和軟骨厚度進行相關(guān)分析，結(jié)果如表5，從結(jié)果上看，D=2，3mm兩組彈性模量和軟骨厚度間有較強負(fù)相關(guān)性，統(tǒng)計學(xué)有意義，但合并后無明顯相關(guān)性。表5彈性模量和軟骨厚度相關(guān)分析直徑(mm)RbP4-0.240-8.23P>0.053-0.543-9.260.0025<P<0.0012-0.507-21.960.

18、0005<P<0.001合并-0.1609-6.07P>0.05r相關(guān)系數(shù)；b回歸系數(shù) 3 討論關(guān)節(jié)軟骨可看作是生物力學(xué)的固液二相材料，即由固體基質(zhì)的膠原-蛋白多糖和不可壓縮的間隙液組成的有滲透作用的多孔介質(zhì)2。關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性質(zhì)是和其構(gòu)成緊密相關(guān)的，這些成份相對含量的變化必將引起組織宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化。 由于人TMJ小，分區(qū)困難，在研究時大多將其分為中心、外周兩區(qū)10，但動物模型研究又表明由于行使功能不同，功能面與非功能面的組成是不同的1,11。髁突前斜面及關(guān)節(jié)窩前斜面被認(rèn)為是TMJ前伸運動的功能面，而側(cè)向運動時關(guān)節(jié)的內(nèi)外側(cè)行使的功能也不同12，因此本實驗依功能分區(qū)，從力學(xué)

19、角度探討功能和力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系。Swann5等測定了人膝關(guān)節(jié)的彈性模量為415MPa，李晉唐9測定正常人膝關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量為 5.715.8 MPa。本實驗測得的人TMJ關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量較膝關(guān)節(jié)大，范圍為9.17±4.6324.42±11.18MPa，提示人TMJ軟骨具有更高的抗變形能力，能更好的負(fù)重。本實驗測得同一區(qū)域不同壓頭下彈性模量也有不同，壓頭越小彈性模量越大（表1,2.）。這是由于壓頭越小則初始壓入深度越大，有更多的間隙液被壓入軟骨深部，此時軟骨產(chǎn)生的摩擦張力增大，使彈性模量值上升。提示TMJ針對較大負(fù)荷可通過間隙液的流動提高抗變形能力。不管遺傳作用會對關(guān)節(jié)軟

20、骨的生長發(fā)育起多大作用，外界力對髁狀突的生長仍起著重要的作用13。因而也就不難解釋為何關(guān)節(jié)軟骨間彈性模量的差異：由于后天因素的功能刺激，使關(guān)節(jié)窩前斜面和髁狀突前斜面在蛋白多糖的組成和構(gòu)成上和非功能區(qū)的髁狀突后斜面不同，從而使作為功能區(qū)的髁狀突前斜面和關(guān)節(jié)窩前斜面具有較大的彈性模量，用以抵抗變形，保護并維持功能區(qū)的良好外形及結(jié)構(gòu)。本實驗同時測量了TMJ軟骨的厚度，發(fā)現(xiàn)軟骨最厚的區(qū)域在髁突后份，而最薄的區(qū)域是關(guān)節(jié)窩前斜面。Wright等對出生后人TMJ的變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)出生時髁突軟骨約厚1.5mm，在很短時間則變?yōu)?.5mm，而到16-17歲時軟骨則更薄，最薄可到0.3mm13。這表明隨著年齡

21、的增長，口腔功能的增強，軟骨層的厚度不是增加而是降低的。Roberts10等發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)有骨關(guān)節(jié)病區(qū)域的軟骨較正常區(qū)域的軟骨薄，但此后又有學(xué)者發(fā)現(xiàn)有骨關(guān)節(jié)病的TMJ盤較正常盤的GAG含量低，且有統(tǒng)計學(xué)差異，與盤厚度無關(guān)14。關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量和其構(gòu)成、組分變化的關(guān)系是明顯的3,4,10，而本實驗中D=3，2mm組的結(jié)果又提示厚度和彈性模量間是有相關(guān)性的，這可能是軟骨結(jié)構(gòu)、組分在厚度上的表現(xiàn)。因而對于這種各向異性的生物體在判斷其力學(xué)性質(zhì)的影響因素時不能僅依賴于軟骨厚度這樣的個別現(xiàn)象，也應(yīng)從其三維構(gòu)成、組份間關(guān)系去考慮。本課題獲國家自然科學(xué)基金資助（基金編號：39270725）作者單位：徐小川（于北

22、京積水潭醫(yī)院口腔科100035）王玉瑋（解放軍二炮總醫(yī)院口腔科 北京100088）康宏（華西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 四川610041）易新竹（華西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 四川610041）參考文獻1，Roberto S，Carvalho RS，EdwinH，et alGlycosminoglycan synthesis in the Rat articular disk in response to mechanical stressJ Am J Orthod Dentofac Orthop 1995,107:401-4102，Mow VC，Gibbs MC，Lai MW，et alBiphasic

23、indentation of articular cartilage-II：anumerical algorithm and an experimental studyJ J Biomech 1989,22(8/9):853-8613，Kempson GECorrelations between stiffness and the chemical constituents of cartilage on the human femoral headJ Biochim Biophys Acta 1970,215:70-774，Kempson GEThe effects of proteogly

24、tic enzymes on the mechanical properties of adult human articular cartilageJ Biochim Biophys Acta 1976,428:741-7605，Swann AC, Seedhom BB. Improved techniques for measuring the indentation and thickness of articular cartilage. J Proc Insth Mech Engrs-Vol 203 part H.J of Engineering in Medicine 1989,143-1506，Clift SE. Finite-