牙周組織生物力學(xué)1課件

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％，故咀嚼時牙齒可有輕微的活動。分組:

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，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?？偨Y(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，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。

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?；|(zhì)主要由酸性粘多糖和糖蛋白組成?；|(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

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，破骨細(xì)胞即消失。在牙根發(fā)生吸收時，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—融合；成牙骨質(zhì)細(xì)胞：成纖維細(xì)胞的鑒別：①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。②CB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：①前者缺乏從ALP活性或微弱的信號；而后者的ALP活性很強(qiáng)。②兩種細(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.SubstrateStretchSystem

LoadingModes

UniaxialElongationFour-PointBendingLongitudinalSubstrateStretch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)胞對牙周膜膠原纖維的生成和更新起著重要作用；同時，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。

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。

(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，骨單元相對減少，間板增多，使之具有較強(qiáng)的抗彎能力和較大的硬度。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)系會產(chǎn)生很大的誤差。陳新民、趙云風(fēng)對新鮮牙質(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，牙周膜的形變從0增至31μ則；載荷增至0.6N時，形變?yōu)?1μ

；而載荷增至5.0N時，形變僅為66μm。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)牙周膜纖維對力的快速生理反應(yīng)。第二段體現(xiàn)大多數(shù)纖維被動拉直的特性。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)象試件接受加載時會產(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，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)又與牙的功能活動有關(guān)；骨的形態(tài)和結(jié)構(gòu)又取決于骨的功能。同時，骨的材料性質(zhì)和形態(tài)結(jié)構(gòu)又是骨功能活動的基礎(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)荷時發(fā)揮了主要作用。通過光彈法和有限元法對下頜骨應(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)的一般方法對二者簡單的線性疊加為基礎(chǔ)的復(fù)合計算并未達(dá)到預(yù)期目的，對此學(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，必須指明研究骨的哪一部分。在實(shí)際研究中，多計算某一結(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)

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