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牙周組織生物力學(xué) 一 牙周膜 牙周膜 periodontalmembrance 是位于牙根與牙槽骨之間的結(jié)締組織 主要連接牙齒和牙槽骨 使牙齒固定于牙槽骨內(nèi) 并可調(diào)節(jié)牙齒承受的咀嚼壓力 具有懸韌帶作用 故又稱為牙周韌帶 periodontalligament PDL 牙周膜是纖維性結(jié)締組織 由細(xì)胞 纖維及基質(zhì)組成 另有血管 淋巴管和神經(jīng) 1 牙周纖維主要為膠原纖維 少量彈性纖維只見于血管壁 主纖維束的一端埋在牙骨質(zhì)內(nèi) 另一端埋入牙槽骨 或分布在牙齦中 正常的主纖維束稍呈波紋狀 彎曲值約占牙周膜長度的7 5 故咀嚼時(shí)牙齒可有輕微的活動(dòng) 分組 1 游離齦纖維從牙頸部的牙骨質(zhì)起 分散于牙齦之中 2 越隔纖維橫跨牙槽中隔 是連接相鄰兩牙之間的強(qiáng)大纖維束 纖維自一牙牙頸部的牙骨質(zhì)起始 呈水平方向 越過牙槽隔的頂點(diǎn)而到達(dá)鄰近牙的牙骨質(zhì)內(nèi) 保持鄰近兩牙的正常位置 3 牙槽嵴纖維牙槽嵴頂呈放射狀止于牙頸部的牙骨質(zhì)內(nèi) 將牙體向牙槽窩內(nèi)牽引 在牙齒的鄰面不見此組纖維 而由越隔纖維所代替 4 牙槽橫纖維呈水平方向環(huán)繞著整個(gè)牙齒 其一端埋于牙骨質(zhì)中 另一端埋于牙槽骨中 牙槽橫纖維 越隔纖維及牙槽嵴纖維都是對(duì)抗側(cè)壓力的 已往稱為環(huán)狀韌帶 5 牙槽斜纖維是牙周膜中數(shù)量最多 力量最大的一組纖維 纖維從牙槽骨區(qū)向下指向牙根面 與牙長軸成50度 形成牙骨質(zhì) 牙周韌帶 牙槽骨復(fù)合體 這組纖維對(duì)牙齒起懸吊作用 可以承受較大的咀嚼壓力 當(dāng)牙齒受到咀嚼壓力時(shí) 由于這組纖維的作用 使牙槽骨所受到的是平均的牽引力 6 根尖纖維細(xì) 自根尖部呈放射狀至根尖周的牙槽骨 固定牙根尖的位置 總結(jié) 1 牙周膜在不同的部位 方向 功能 直徑和數(shù)量不同 但必需良好的協(xié)同作用 牙齒才能穩(wěn)固在牙槽窩內(nèi) 2 當(dāng)牙齒受到垂直壓力時(shí) 幾乎全部主纖維都呈緊張狀態(tài) 而側(cè)向壓力則僅部分緊張 膠原 多種膠原 目前已知 型等 型膠原是形成堅(jiān)固的纖維附著 使牙周膜具備彈性 抵抗咬合力的組織學(xué)基礎(chǔ) 型膠原覆蓋在 型膠原的表面 加強(qiáng)細(xì)胞的附著 型為很短的纖維原 聯(lián)結(jié)于 型膠原之間 型膠原 膠原與細(xì)胞外基質(zhì)聯(lián)結(jié)的橋梁作用 2 基質(zhì)在牙周膜中 細(xì)胞 纖維 血管及神經(jīng)之間的空隙中均為基質(zhì)和體液所充滿 基質(zhì)主要由酸性粘多糖和糖蛋白組成 基質(zhì)及體液成分可減少纖維間的摩擦 與牙支持功能密切相關(guān) 細(xì)胞外基質(zhì) ECM 牙周組織由cells ECM組成 二者的附著是細(xì)胞行使功能的基礎(chǔ) PDL的ECM包括多種蛋白成份 膠原蛋白和非膠原蛋白 PDL的動(dòng)態(tài)改建具體表現(xiàn)為ECM的降解和合成 細(xì)胞的分化成熟及調(diào)亡 ECM的代謝 蛋白酶類中的MMPs TIMPs系統(tǒng) 3 細(xì)胞牙周膜自身具備一定的再生改建能力 成纖維細(xì)胞 主要細(xì)胞 呈梭形或星形 位于纖維之間 其功能分泌膠原 合成基質(zhì) 成骨細(xì)胞 見于新形成骨之表面 位于纖維之間 為高度分化的細(xì)胞 主要的功能是形成骨基質(zhì) 因此表現(xiàn)出典型的合成蛋白質(zhì)的特征 豐富的內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 發(fā)達(dá)的高爾基體 ALP陽性 分泌 型膠原和非膠原蛋白 目前已分離出多種非膠原蛋白 包括骨鈣素 OCN 骨橋素 OPN 及骨涎蛋白 BSP 等 新的細(xì)胞間質(zhì)不斷產(chǎn)生 并經(jīng)過鈣化而形成骨質(zhì) 成骨細(xì)胞逐漸被包埋其中 此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的合成活動(dòng)停止 胞漿減少胞體變形而成為骨細(xì)胞 破骨細(xì)胞 具備骨吸收功能的多核巨細(xì)胞 嗜酸 TRAP染色陽性 僅見于活動(dòng)性骨吸收的部位 發(fā)生吸收處的骨質(zhì)呈淺的蠶食狀凹陷 此凹陷稱為骨吸收陷窩 破骨細(xì)胞即位于此陷窩內(nèi) 當(dāng)骨吸收停止時(shí) 破骨細(xì)胞即消失 在牙根發(fā)生吸收時(shí) 也可在吸收的牙根表面見到破骨細(xì)胞 來源于造血系統(tǒng)的單核細(xì)胞 局部信號(hào) 融合 成牙骨質(zhì)細(xì)胞 成纖維細(xì)胞的鑒別 光鏡下CB的形態(tài)不規(guī)則而成纖維細(xì)胞一般呈紡錘形 就分泌膠原的功能而言 CB不如成纖維細(xì)胞活躍 CB能分泌礦化相關(guān)蛋白如OPN BSP OCN等 能形成礦化結(jié)節(jié) 成纖維細(xì)胞在一般條件下無上述特性 CB區(qū)別于成骨細(xì)胞 CB區(qū)別于成骨細(xì)胞的生物學(xué)特性是CB培養(yǎng)與鑒定的關(guān)鍵 目前這方面的研究已取得了一些進(jìn)展 但仍缺少突破 前者缺乏從ALP活性或微弱的信號(hào) 而后者的ALP活性很強(qiáng) 兩種細(xì)胞可在形態(tài)上加以區(qū)別 牙骨質(zhì)黏附蛋白 cementumattachmentprotein CAP 作為CB的一種特殊表達(dá)產(chǎn)物 MechanicalLoadingSystemsCompressiveLoadingSystemSubstrateStretchSystemFluidShearSystemCombinedSubstrateStretchandFluidShearSystem SubstrateStretchSystem LoadingModesUniaxialElongationFour PointBending LongitudinalSubstrateStretch 牙周膜的生物學(xué)特性從結(jié)構(gòu)和功能上看 牙周膜可以說是 牙骨質(zhì)和固有牙槽骨的骨膜 其中的成纖維細(xì)胞對(duì)牙周膜膠原纖維的生成和更新起著重要作用 同時(shí) 成骨細(xì)胞產(chǎn)生新骨 使新生的牙周膜纖維得以重新附著 保持牙齒和牙周的正常聯(lián)系 成牙骨質(zhì)細(xì)細(xì)胞可形成牙骨質(zhì) 維持牙骨質(zhì)的完整健康 正常牙周膜的厚度呈不均勻性 在0 15 0 38mm之間 其中近牙略部最寬 根尖部次之 根中部最窄 說明根中部是生理性活動(dòng)的支點(diǎn) 牙周膜的結(jié)構(gòu)和它的功能有密切關(guān)系 經(jīng)久不用的牙齒 其牙周膜變薄 排列規(guī)則的主纖維束消失 而代之以排列不規(guī)則的膠原纖維 牙槽骨的組織結(jié)構(gòu)1 固有牙槽骨牙槽骨的內(nèi)壁 與牙周膜鄰近 骨面有多數(shù)小孔 亦稱篩狀板 牙周膜的血管 神經(jīng)經(jīng)此與骨髓腔相通 因其骨質(zhì)致密 故X線片上固有牙槽針呈現(xiàn)環(huán)繞牙根的白線 又稱為硬板 2 皮質(zhì)骨皮質(zhì)骨位于牙槽骨的外層 是密質(zhì)骨 骨的外表面是平行骨板 深部為哈弗氏系統(tǒng) 3 松質(zhì)骨牙槽骨內(nèi)外骨板中間夾以松質(zhì)骨 由骨小梁和骨髓腔組成 骨小梁的方向常與咀嚼壓力相適應(yīng) 如磨牙根間的骨小梁呈水平向 而根尖區(qū)則呈放射狀排列 骨小梁的粗細(xì)與多少和牙的功能有關(guān) 功能強(qiáng)者 骨小梁粗 廢用牙齒周圍的骨小梁較細(xì) 數(shù)目也較少 二 牙槽骨的生物學(xué)特性牙槽骨是骨路中變化最活躍的部分 其變化與牙齒的發(fā)育 萌出 乳恒牙替換 咀嚼功能及牙齒的移動(dòng)等均有關(guān)系 該變化反映出骨組織的改建 remodeling 過程 破骨與成骨 二者相互平衡的生理過程 在牙齒萌出或移動(dòng)的過程中 受壓力側(cè)的牙槽骨骨質(zhì)吸收 而牽引側(cè)的牙槽骨新骨形成 三 下頜骨 下頜骨 mandibIe 是顱面部唯一能動(dòng)者 構(gòu)成顳下領(lǐng)關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部分 在行使功能和運(yùn)動(dòng)中起著主體作用 一 下顱骨的宏觀結(jié)構(gòu)由皮質(zhì)骨 松質(zhì)骨及牙槽骨組成 下頜骨附著有眾多的咀嚼肌 產(chǎn)生咀嚼力 在咀嚼食物過程中 承受和傳遞力量 整個(gè)下顱骨如同一個(gè)生物杠桿 咀嚼肌為力點(diǎn) 顳下頜關(guān)節(jié)為支點(diǎn) 牙列與合為重點(diǎn) 使下顱骨能承受很大的咀嚼壓力 其松質(zhì)骨骨小梁的排列方向與咀嚼壓力相適應(yīng) 排列成牙力軌道和肌力軌道傳遞咀嚼力 骨小梁的粗細(xì)與數(shù)目多少均與功能有關(guān) 在皮質(zhì)骨有定向結(jié)構(gòu) 表示合力方向 由膠原纖維走向決定 顯示哈弗氏系統(tǒng)的伸展方向 構(gòu)成受力支柱 二 微結(jié)構(gòu)典型皮質(zhì)骨由哈弗氏系統(tǒng) 內(nèi)外環(huán)骨板及間板構(gòu)成 下顱骨的皮質(zhì)骨凹凸不平 厚薄不均 哈弗氏系統(tǒng)又稱骨單元 平行于骨長軸 是皮質(zhì)骨的基本加強(qiáng)單元和定向結(jié)構(gòu) 在生長發(fā)育過程中 哈弗氏系統(tǒng)不斷改變 其所占的百分比一般隨年齡的增長而增大 因功能不同所占的比例亦有所不同 下頜骨由于萌牙 換牙及負(fù)荷的變更而變化活躍 骨單元相對(duì)減少 間板增多 使之具有較強(qiáng)的抗彎能力和較大的硬度 三 超微結(jié)構(gòu)骨的基質(zhì)無機(jī)物主要為經(jīng)基磷灰石 電鏡觀察為針狀或長條狀 位于膠原纖維的外側(cè) 沿其長度方向排列 晶體的中心晶軸與膠原纖維的長軸平行 有機(jī)物主要為膠原纖維 膠原纖維能抗拉伸 羥基磷灰石能抗壓縮 二者聯(lián)合構(gòu)成堅(jiān)實(shí)的膠原羥磷灰石纖維 具有良好的力學(xué)性能 形成骨的特殊硬度和韌性 牙周組織的基本力學(xué)性質(zhì)一 牙周膜的拉伸和壓縮性質(zhì)屬于各向異性 非均勻性的粘彈性材料 具有支持牙齒 傳遞 吸收和分散合力的功能 牙周膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)是生理功能的基礎(chǔ) 由于牙周膜持殊的解剖學(xué)特點(diǎn) 使牙周膜的力學(xué)性質(zhì)研究十分因難 目前的研究表明 牙周膜的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是非線性的 并不服從虎克定律 存在著彈性滯后 應(yīng)力松弛和蠕變等現(xiàn)象 簡單地用彈性模量來表述二者的關(guān)系會(huì)產(chǎn)生很大的誤差 陳新民 趙云風(fēng)對(duì)新鮮牙質(zhì)膜的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系采用冪 指數(shù) 回歸關(guān)系和劃分區(qū)域表述更符合臨床實(shí)際情況 牙周膜屬非線性材科 BaIph等研究了人離體牙牙周膜受力后的形變 當(dāng)載荷從0 1N增至0 3N時(shí) 牙周膜的形變從0增至31 則 載荷增至0 6N時(shí) 形變?yōu)?1 而載荷增至5 0N時(shí) 形變僅為66 m 載荷 形變曲線為S形 可見牙周膜屬于非線性材料 非線性的特點(diǎn)取決于組織結(jié)構(gòu) 牙周膜的載荷 形變曲線可分為三段 起始段載荷與形變呈指數(shù)關(guān)系 第二段載荷與形變幾乎呈線性關(guān)系 其斜率相當(dāng)于牙周膜的彈性模量 終末段載荷與形變呈不規(guī)則曲線關(guān)系 起始段體現(xiàn)牙周膜纖維對(duì)力的快速生理反應(yīng) 第二段體現(xiàn)大多數(shù)纖維被動(dòng)拉直的特性 終末段反映纖維逐漸斷裂至幾乎完全的過程 最大負(fù)荷 最大形變 最大負(fù)荷與牙周膜面積的比值為牙周膜最大抗拉強(qiáng)度 方法目前 研究牙周膜應(yīng)力 應(yīng)變的主要方法是單軸拉伸試驗(yàn) 從牙根某一橫斷面制備包括牙槽骨 牙周膜及牙體組織的切片作為試件 在材料試驗(yàn)機(jī)上一定加載速率下記錄載荷 形變曲線 載荷與牙周膜寬度的比值代表應(yīng)力 形變與作用面積的比值代表應(yīng)變 把載荷 形變曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)力 應(yīng)變曲線 2牙周膜具有粘彈性 牙周膜中除纖維外 還包括基質(zhì) 細(xì)胞 血管和神經(jīng)等 這些組織基本不屬于彈性體 應(yīng)力 應(yīng)變曲線呈現(xiàn)粘彈性物質(zhì)的特性 1 牙周膜的蠕變現(xiàn)象試件接受加載時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的形變 雖然載荷無變化 但試件的形變隨載荷作用時(shí)間的延長而增加的現(xiàn)象稱為蠕變 牙周膜受到拉伸 壓縮或側(cè)向力時(shí)均出現(xiàn)蠕變 蠕變量隨荷重增加而增加 牙周膜的應(yīng)力松馳現(xiàn)象某些材料變形時(shí) 內(nèi)部產(chǎn)生一定的應(yīng)力 如果其形變保持不變 材料內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間的延長而逐漸減少 該現(xiàn)象稱為松馳 彈性滯后應(yīng)力 應(yīng)變曲線的進(jìn)程曲線同回程曲線不重合的現(xiàn)象稱為彈性滯后 3牙周膜的各向異性和非均質(zhì)性 牙周膜是一種非均質(zhì)性的材料 因此牙周膜不同點(diǎn) 不同方向上 其力學(xué)性質(zhì)不完全相同 不同牙根平面的牙周膜 其生物力學(xué)性質(zhì)不同 牙周膜作為生物軟組織 有生長和改建的性質(zhì) 所以不同發(fā)育階段的牙周膜的生物力學(xué)性質(zhì)不同 發(fā)育早期 3 12周 的大鼠 其牙周膜的最大負(fù)荷 彈性模量 剪切破壞能量密度 都隨時(shí)間的增加而顯著增加 不同功能狀態(tài) 4周齡大鼠的磨牙牙周膜的最大抗拉強(qiáng)度為21 1N 拔除對(duì)頜牙8d后 實(shí)驗(yàn)組牙周膜最大抗拉強(qiáng)度下降至5 4N 不同牙位 磨牙明顯高于切牙牙周炎病變的不同階段 種間差異 牙周膜寬度及組織結(jié)構(gòu)差異所致 牙周膜的應(yīng)力分布 牙槽骨高度對(duì)牙周膜內(nèi)應(yīng)力的大小和分布的影響FEM結(jié)果表明 牙周膜內(nèi)的應(yīng)力隨牙槽骨降低而逐漸增大 但在牙周膜的不同部位應(yīng)力增加的幅度不同 呈非線性的關(guān)系 牙槽骨吸收在根長的20 以內(nèi)時(shí)應(yīng)力的增長較平緩 牙槽骨吸收超過根長的20 以后應(yīng)力的增加幅度明顯加大 合力在牙槽骨內(nèi)傳遞分散具有一定的規(guī)律 牙齒受力時(shí)應(yīng)力向鄰近左右牙槽骨內(nèi)擴(kuò)散 一般擴(kuò)散至三 四個(gè)牙位的牙槽骨區(qū)域 合力從受力牙到擴(kuò)散至最后的牙位牙槽骨區(qū) 應(yīng)力逐漸遞減直至消失 二 牙槽骨和下頜骨的拉伸和壓縮力學(xué)性質(zhì) 頜骨的力學(xué)性質(zhì)取決于骨的材料 顯微結(jié)構(gòu) 全骨的形狀 包括 膠原纖維的多少 哈弗氏系統(tǒng)的方向 大小 多少及間板的層數(shù) 而這些結(jié)構(gòu)又與牙的功能活動(dòng)有關(guān) 骨的形態(tài)和結(jié)構(gòu)又取決于骨的功能 同時(shí) 骨的材料性質(zhì)和形態(tài)結(jié)構(gòu)又是骨功能活動(dòng)的基礎(chǔ) 因此 研究下頜骨及牙槽骨的力學(xué)性質(zhì) 必須與其組織結(jié)構(gòu) 功能分析結(jié)合起來 應(yīng)力分布情況 致密堅(jiān)硬的皮質(zhì)骨比相對(duì)應(yīng)部位的網(wǎng)狀琉松的松質(zhì)骨的應(yīng)力值大20 30倍 說明皮質(zhì)骨在下頜骨承受負(fù)荷時(shí)發(fā)揮了主要作用 通過光彈法和有限元法對(duì)下頜骨應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析 發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)多位于髁突前斜面 喙突 下頜切跡等部位 胡凱 1997 vollmer 2000 孫健 2004 髁突頸部 喙突后側(cè) 下頜角等部位為應(yīng)力集中區(qū) 并發(fā)現(xiàn)3條應(yīng)力軌跡線 從下頜體至下頜角 下頜體沿后牙牙槽嵴遠(yuǎn)端下頜支前緣至喙突 喙突后側(cè)至髁突頸部 一 牙槽骨的各向異性性質(zhì)人體下頜骨及牙槽骨的皮質(zhì)骨的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出較明顯的各向異性和非均勻性 彈性系數(shù)是方向的函數(shù) 各個(gè)方向的力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異 近遠(yuǎn)中向的彈性模量和泊松比大于合齦向 下頜骨及牙槽骨皮質(zhì)骨這種力學(xué)性質(zhì)與其組織結(jié)構(gòu)及生理功能有關(guān) 第三節(jié)下頜骨和牙槽骨的各向異性性質(zhì) 下頜骨皮質(zhì)骨是一種多相的復(fù)合生物材料 主要由羥基磷灰石和膠原纖維組成 下頜骨皮質(zhì)骨軸向彈性模量界于二者之間 但其力學(xué)性能更好 既能避免硬材料的脆件破壞 又能避免軟組織的過早屈服 用復(fù)合材料力學(xué)的一般方法對(duì)二者簡單的線性疊加為基礎(chǔ)的復(fù)合計(jì)算并未達(dá)到預(yù)期目的 對(duì)此學(xué)者們提出利用各種模型 頜骨是各向異性 具有塑性性質(zhì)和脆性性質(zhì)的復(fù)雜的生物材料 有學(xué)者認(rèn)為骨皮質(zhì)是堅(jiān)硬的組織 近似于各向同性體 與常用的工程材料相似 因此 對(duì)頜骨進(jìn)行加載測試 若作為各向同性體來研究 可大致符合虎克定律 其負(fù)荷 變形曲線在一定的范圍內(nèi)基本可呈線性關(guān)系 從生物力學(xué)來看 骨組織是礦物質(zhì)和膠原基質(zhì)組成的復(fù)合材料 有學(xué)者認(rèn)為骨屬于粘彈性材料 皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨是骨組織的兩種類型 骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)其實(shí)是一種材料 僅僅是同一種材料的疏松度和密度的差異 幾乎所有的生物固體都是粘彈性體 只不過有的彈性較強(qiáng) 有的粘性較強(qiáng) 在程度上有差別 故討論骨的生物力學(xué)性能時(shí) 必須指明研究骨的哪一部分 在實(shí)際研究中 多計(jì)算某一結(jié)構(gòu)層次的平均力學(xué)性能 下頜骨皮質(zhì)骨也是增強(qiáng)型的粘彈性復(fù)合生物材料 原則 要求用復(fù)合材料力學(xué)方法 同時(shí)應(yīng)考慮其粘彈性和膠原纖維增強(qiáng)的特性 二 牙槽骨的各向異性性質(zhì)在牙槽骨皮質(zhì)骨的力學(xué)分析中 近遠(yuǎn)中向 合齦向和頰舌向相當(dāng)于軸向 橫向和法線方向 由于其皮質(zhì)骨很薄 與法線方向有關(guān)的應(yīng)力分量與軸向 橫向的應(yīng)力分量相比很小 故常忽略不計(jì) 將力學(xué)分析簡化為廣義平面應(yīng)力問題來建立應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 第四節(jié)下頜骨的強(qiáng)度及斷裂一 下頜骨的強(qiáng)度強(qiáng)度是骨的重要力學(xué)性能之一 指負(fù)荷未達(dá)到骨折時(shí)骨內(nèi)所承受的最大應(yīng)力 表現(xiàn)為抗拉 抗壓 抗彎 抗轉(zhuǎn) 剪切及聯(lián)合載荷的強(qiáng)度 骨的強(qiáng)度是非均勻的 不同骨骼及其不同部位的強(qiáng)度是不同的 骨的強(qiáng)度是各向異性的 隨加載方向與骨長軸之間的夾角變化而變化 以骨軸向強(qiáng)度為最大 橫向強(qiáng)度 合齦向 最低 骨的強(qiáng)度隨各人的年齡增大而減小 骨的強(qiáng)度因骨的結(jié)構(gòu)不同而不同 人下頜骨在壓縮情況下 斷裂平面的方向一般與載荷成60度的角 為斜形骨折 骨的扭轉(zhuǎn)破壞 是沿著骨結(jié)合線的剪切破壞 在骨試件軸向拉伸破壞中 破壞面垂直于軸向載荷的平面上 表現(xiàn)為橫向骨折 總之 板層間的區(qū)域或骨結(jié)合線是骨中力學(xué)上主要的脆弱處 二 下頜骨的斷裂骨是多孔結(jié)構(gòu) 屬于裂紋體 其斷裂力學(xué)性呈各向異性 對(duì)骨的研究 應(yīng)考慮到骨原有的裂縫和缺陷 骨的密度和顯微組織結(jié)構(gòu)對(duì)骨的斷裂力學(xué)性質(zhì)有明顯影響 骨斷裂實(shí)驗(yàn)證明 密度增加5 能使斷裂韌性增加30 Thankyou