人颞下颌关节软骨弹性模量的测定

1、    人颞下颌关节软骨弹性模量的测定        【摘要】 目的：测试人颞下颌关节（Temporomandibular Joint,TMJ）软骨不同解剖区域的弹性模量，分析颞下颌关节病的力学致病机理。方法： 通过生物力学的研究手段，测量了8个TMJ软骨的弹性模量(E)及厚度(H)，用SPCC/PC+软件进行统计分析。结果：关节软骨各区域中关节窝前斜面弹性模量最大、厚度最薄（E=23.94±9.95Mpa，H=0.543±0.140mm）；而髁突后斜面弹

2、性模量最小、软骨最厚（E=16.90±9.86Mpa，H=0.936±0.325mm）。未发现弹性模量与厚度之间有明显的相关关系。结论：认为TMJ软骨各区弹性模量的差异是后天功能刺激所致，其抗力能力不仅依赖厚度因素。关键词: 颞下颌关节；生物力学；压凹实验；弹性模量中号：R782文献标识码：A文章编号：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颞下颌关节（Temporomandibular Joint,TMJ）关节软骨为纤维软骨，在运动中起着缓冲震动，吸收载荷的作用1。有不少学者对人体其它大关节软骨进行了研究2,3,4，但尚未有学者对人TMJ关节软骨的弹性模量进行测试；同时，临床上对下颌关节紊乱病（Temporomandibular joint disordes,TMD) 病因的研究缺乏力学角度的探讨，因而使TMJ这一受力关节，尤其是人体标本的研究仍存在空白。 在软骨力学性质的研究中，压凹实验（Indentation Test）可以迅速从宏观上了解被测物的压缩刚度，从而比较不同区域软骨的刚度，发现生物体薄弱

7、环节，这比得到精确的固有力学性质更为重要5。同时，压凹实验试件下端仍有软骨下骨附着，可以限制软骨层的变形；仍和周围软骨有联系，因而更能代表在体状况6。弹性模量（Elastic Modulus，E）是材料发生应力应变过程中的比例常数，用以说明不同组织对变形的抵抗能力，弹性模量越高，产生一定应变所需的力越大，组织抵抗变形的能力越大。1 材料和方法1.1 标本来源、制备及保存7意外身亡的4人死亡6小时内迅速取下双侧TMJ，放入密封性良好的塑料袋内，于-20环境下保存待用。逐渐解冻标本，剖开关节囊，以肉眼及体视显微镜（SMI型中科院成都光仪厂出品）观察关节各表面。光滑、无沟纹、无裂隙及骨赘者纳入。将试

8、件制成一定的形状，密封好后在-4冰箱内保存待用。1.2 实验仪器、条件8及过程本实验在压凹实验仪（美国产传感器，成都科大生物力学实验室装）上进行；以X-Y记录仪同步记录在恒定压力下变形与时间的关系及瞬时压入深度。在实验中试件浸入盛有林格氏液的容器，室温8-12下进行实验（如1）。1：压凹实验示意清洁金属压头表面，固定试件，选好部位突然加载于软骨，于软骨表面记录瞬时加载后软骨的蠕变曲线，时间为150秒。实验中压头直径为4mm,3mm,2mm，实验中以不同规格的压头分别给不同部位不同区域试件加载，共完成试件147个。1.3 软骨分区及厚度测量沿髁顶线将髁突分为内侧和外侧，沿髁嵴将其分为前侧和后侧，

9、因而髁突被划分为四区：髁头前外份（Anterior Lateral Condyle,ALC），髁头前内份（Anterior Medial Condyle,AMC），髁头后外份（Posterior Lateral Condyle,PLC），髁头后内份（Posterior Medial Condyle,PMC）。将关节窝前斜面分为外侧和内侧：关节窝前斜面外侧（Anterior Lateral Slope of Glenoid Fossa,ALSG），关节窝前斜面内侧（Anterior Medial Slope of Glenoid Fossa,AMSG）。将实验后软骨与软骨下组织分离，用解剖显微镜

10、（精确到0.002mm）测定软骨厚度，共测试件90个。1.4 数据处理假定软骨为线性各相同性不可压缩体，则由弹性力学理论得到TMJ软骨的杨氏模量为：P：作用压力（6.426N） a：压头半径 W0：初始压入深度（瞬时弹性响应）采用SPCC/PC+软件对E和软骨厚度进行方差分析，对两者相关关系以t检验。2 结果本实验共测定压凹试件147个（表1）。表1 不同压头半径及区域下关节软骨弹性模量 (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 弹性模量值2.1.1 由表1可以看到同一区域在使用不同压头时存在一种趋势

12、EALC>EAMC，EAMSG>EALSG，EPMC>EPLC(D=2时除外），但无统计学意义。相同压头不同区域，除在D=2mm组发现EAMSG与EALSG，EPMC，EPLC间有差异（P<0.05），其余均未见差异。而同一区域不同压头间也无明显差异。2.1.2 合并AMC/ALC为AC；PM/PLC为PC；AMSG/ALSG为ASG，得到表2，统计学表明：表2合并后软骨弹性模量 (单位：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时，EAC/EPC(P<0.05);EASG/EPC (0.025<P<0.05);EASG/EAC(P>0.05)D=3时，EAC/EPC(P<0.05);EASG/EAC(0.001<P<0.05);EASG/EPC (0.01<P<0.025)D=2时，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间是不同的（D=4,EAPG/EAC除外）,AC和PC间是不同的（D=2,EAC/EPC除外)。相同区域不同压头半径下弹性模量有差异：AC组：D=4/D=3(P>0.05);D=4/D=2(P>0.05);D=2/D=3(0.01<p<0.025)PC组：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组：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可见TMJ关节软骨最厚的区域在髁头后份（hPMC=0.93mm，hPLC=0.92mm)，最薄的区域在关节窝前斜面（hAMSG=0.534mm,hALSG=0.705mm）。六个区域间统计结果如表4。表3 不同压头半径及区域下关节软骨厚度 (单位：mm)432合并值AMC0.62±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关节软骨不同区域厚度统计分析表SiteAMCALCPMCPLCAMSGALSGAMC*ALC*PMC*PLC*AMSG*ALSG*P<0.05，*P<0.01 2.3 弹性模量和软骨厚度相关分析将弹性模量和软骨厚度进行相关分析，结果如表5，从结果上看，D=2，3mm两组弹性模量和软骨厚度间有较强负相关性，统计学有意义，但合并后无明显相关性。表5弹性模量和软骨厚度相关分析直径(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相关系数；b回归系数 3 讨论关节软骨可看作是生物力学的固液二相材料，即由固体基质的胶原-蛋白多糖和不可压缩的间隙液组成的有渗透作用的多孔介质2。关节软骨的力学性质是和其构成紧密相关的，这些成份相对含量的变化必将引起组织宏观力学性质的变化。 由于人TMJ小，分区困难，在研究时大多将其分为中心、外周两区10，但动物模型研究又表明由于行使功能不同，功能面与非功能面的组成是不同的1,11。髁突前斜面及关节窝前斜面被认为是TMJ前伸运动的功能面，而侧向运动时关节的内外侧行使的功能也不同12，因此本实验依功能分区，从力学

19、角度探讨功能和力学性质间的关系。Swann5等测定了人膝关节的弹性模量为415MPa，李晋唐9测定正常人膝关节软骨的弹性模量为 5.715.8 MPa。本实验测得的人TMJ关节软骨的弹性模量较膝关节大，范围为9.17±4.6324.42±11.18MPa，提示人TMJ软骨具有更高的抗变形能力，能更好的负重。本实验测得同一区域不同压头下弹性模量也有不同，压头越小弹性模量越大（表1,2.）。这是由于压头越小则初始压入深度越大，有更多的间隙液被压入软骨深部，此时软骨产生的摩擦张力增大，使弹性模量值上升。提示TMJ针对较大负荷可通过间隙液的流动提高抗变形能力。不管遗传作用会对关节软

20、骨的生长发育起多大作用，外界力对髁状突的生长仍起着重要的作用13。因而也就不难解释为何关节软骨间弹性模量的差异：由于后天因素的功能刺激，使关节窝前斜面和髁状突前斜面在蛋白多糖的组成和构成上和非功能区的髁状突后斜面不同，从而使作为功能区的髁状突前斜面和关节窝前斜面具有较大的弹性模量，用以抵抗变形，保护并维持功能区的良好外形及结构。本实验同时测量了TMJ软骨的厚度，发现软骨最厚的区域在髁突后份，而最薄的区域是关节窝前斜面。Wright等对出生后人TMJ的变化进行了研究，发现出生时髁突软骨约厚1.5mm，在很短时间则变为0.5mm，而到16-17岁时软骨则更薄，最薄可到0.3mm13。这表明随着年龄

21、的增长，口腔功能的增强，软骨层的厚度不是增加而是降低的。Roberts10等发现膝关节有骨关节病区域的软骨较正常区域的软骨薄，但此后又有学者发现有骨关节病的TMJ盘较正常盘的GAG含量低，且有统计学差异，与盘厚度无关14。关节软骨的弹性模量和其构成、组分变化的关系是明显的3,4,10，而本实验中D=3，2mm组的结果又提示厚度和弹性模量间是有相关性的，这可能是软骨结构、组分在厚度上的表现。因而对于这种各向异性的生物体在判断其力学性质的影响因素时不能仅依赖于软骨厚度这样的个别现象，也应从其三维构成、组份间关系去考虑。本课题获国家自然科学基金资助（基金编号：39270725）作者单位：徐小川（于北

22、京积水潭医院口腔科100035）王玉玮（解放军二炮总医院口腔科 北京100088）康宏（华西医科大学口腔医学院 四川610041）易新竹（华西医科大学口腔医学院 四川610041）参考文献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-