人体颞下颌关节外侧壁囊-韧带复合结构生物力学研究*
作者：
康 宏 易新竹 陈孟诗 吕 锦
单位：康 宏 易新竹 (华西医科大学 口腔医学院，成都 610041)；陈孟诗 (四川大学 工程力学系，成都 610065)；吕 锦 (成都市第一人民医院，成都 610016)
关键词：关节囊；韧带；应力松弛；应力-应变关系；颞下颌关节
生物医学工程学杂志990107 内容摘要 用软组织拉伸力学方法对8个8～15岁新鲜尸体颞下颌关节外侧壁试件共31个进行纵向应力松弛和拉伸破坏实验。结果表明：关节外侧壁是囊和韧带结构的复合体，抗拉伸和抗变形能力较弱，应力松弛方式在缓冲外力载荷中可能起主要作用。用拟线性粘弹性理论对实验结果进行拟合，获取了组织应力松弛和应力应变关系的基本参数值。
A Biomechanical Study on Human Lataral Capsular-Ligament
, 百拇医药
Complex of Temporomandibular Joint
Kang Hong1 Yi Xinzhu1 Chen Mengshi2
(College of Stomatology, West China University of Medical Sciences, Chengdu 610041)
Abstract Tensile mechanical experiments were made on 31 lateral capsular-ligament complex spencimens from 8 fresh temporomandibular joints of human cadavers aged 8～15 years. The tests included stress relaxation at different strain rates and tension test at constant strain rate. Some biomechanical material properties of the tissue were determined. The result showed that the complex had lower tensile strength and tensile stiffness, and the stress relaxatioin was the most important mechanism of spreading stress and absorbing shock. The stress relaxation function and the constitutive equation of stress and strain were obtained with Fung's Quasi-Linear Viscoelastic Theory fitting the experimental results.
, 百拇医药
Key words Capsule Ligament Stress relaxation Stress-strain relation Temporomandibular joint
人体颞下颌关节(Temporomandibular, TMJ)外侧壁对封闭关节间隙，限制下颌运动及稳定关节方面有重要作用，由于外侧壁结构由不同层次方向各异的胶原组织构成，从生物力学观点来看应属复合材料，具有明显的各向异性[1]。研究TMJ外侧壁囊-韧带复合结构的生物力学性质将有助于综合考察TMJ的稳定机制并为探讨不同载荷条件下的损伤机理提供科学依据，为临床颞颌关节疾病的诊治提供参考。
1 材料和方法
1.1 标本处理和试件制备
收集新鲜人体标本4具，男3女1，年龄8～15岁，生前无颞颌关节疾病，用双层塑料袋密封，置-20℃冰箱内低温保存。实验前移至普通冰箱内过夜。室温下逐渐解冻标本，完整分离关节外侧壁，用Ringer's液洗去内侧粘液，在恒冷切片箱(-20℃)中用特制等距离切片刀纵向切取等宽3mm的标本，分层切取厚度为400μm的试件共31个，制备后的试件置-4℃冰箱中以待试验。
, http://www.100md.com
1.2 实验仪器及条件[2]
实验在软组织单向拉伸及应力松弛试验机上进行(Revere Co. USA UMPI-005-A),X-Y函数记录仪同步记录载荷-变形曲线和载荷-时间关系曲线，实验中用Ringer's液滴注，保持试件湿润。实验在室温下(8～14℃)进行。
1.3 实验过程[2，3]
(1)预调：用游标尺测试件原长，以0.01mm/s的应变速度将试件拉伸至10%的应变长度，同样速度卸载，间隔休息10 min，每个试件预调三次即可。
(2)使试件在0～0.25 s内达到9%的阶跃应变并保持100 s，记录载荷-时间关系曲线，卸载休息10 min。同法记录阶跃应变在10%，11%，14%时的关系曲线。
, http://www.100md.com
(3)以0.05mm/s的载荷速度将试件拉伸至破坏，记录载荷-变形关系曲线。
(4)将各组的载荷-变形曲线和载荷-时间曲线转换为相应的应力-应变曲线和应力-时间曲线，实验结果用Fung YC拟线性粘弹性理论进行拟合，求取应力-应变本构方程式。
2 结果
2.1 关节外侧壁囊-韧带复合结构的应力松弛特性
不同阶跃应变下外侧壁结构的瞬时弹性响应对应变水平较为敏感并呈明显非线性关系，应变水平增加，弹性响应也增大(表1)。外侧壁在不同应变水平下的应力松弛主要发生在最初的5 s内，初始应力松弛在9%～18%之间，应力松弛程度随应变水平增高有加大趋势(图1)。
表1 TMJ外侧壁的瞬时弹性响应
, http://www.100md.com
Table 1 The simultaneous elastic response of the lateral wall of the TMJ Strain(ε)
Elastic response(MPa)
0.09
0.0389±0.0243
0.10
0.0522±0.0389
0.11
0.0545±0.0206
0.14
0.0626±0.0408
, 百拇医药
图1 关节囊-韧带复合体应力松弛曲线
Fig 1 Stress relaxation curve of the TMJ capsule-ligament complex in tension
2.2 关节囊-韧带复合结构应力不应变特性
关节外侧壁的破坏应力和破坏能量较小，破坏应变较高，但各组间差异较大。在小应变下，应力的改变很小，但应变在25%以上，应力-应变接近线性关系，斜率的变化明显(表2，图2)。
表2 TMJ外侧壁复合结构的力学性质
Table 2 The mechanical property of the lateral wall of the TMJ Parameter
, 百拇医药
Lateral wall
Failure stress(MPa)
0.638±0.528
Failure strain(%)
36.09±15.57
Failure energy(N*mm)
0.588±0.541
Tensile modulus(MPa)
3.034±2.857
, http://www.100md.com 图2 关节囊-韧带复合体应力-应变关系
Fig 2 Stress-strain relation of the TMJ capsule-ligament complex
2.3 理论分析
用Fung YC拟线性粘弹性理论对应力松弛和拉伸破坏实验值进行拟合[2～4]，得出松弛函数G(t)=C-D.Lnt和应力-应变关系表达式σ=A[exp(Bε)-1]的拟合参数值(表3)，由此可得出不同条件下的本构方程式。
表3 关节囊-韧带复合结构理论拟合参数
Table 3 The theoretical fitting parameters of the capsule-Ligament complex
, 百拇医药
ε=0.09
ε=0.10
ε=0.11
ε=0.14
C
0.9284
0.8707
0.8421
0.8041
D
0.0251
0.0383
0.0341
, 百拇医药
0.0665
A
0.0983
B
3.7039
3 讨论
人体TMJ外侧壁组织学研究认为[5，6]，外侧壁是囊和韧带结构的复合体，构成该组织的胶原纤维存在大小和排列方向上的差异，韧带胶原束粗大，排列致密，抗拉伸能力强，而囊纤维较细小，方向也各异，组织变形性大，主要功能以适应多向的拉伸载荷为主，有利于力的分散传递。应力松弛实验表明，关节外侧壁存在明显的粘弹性，初始应力松弛率(1 s)为9%～18%，介于TMJ关节盘和盘后组织之间[4]，说明外侧壁复合结构既能散力又能维持一定张力对抗载荷，保持关节稳定。不同应变水平对应力松弛效应有一定影响，应力松弛随应变水平增高而加大。按二相理论观点[1]，在低应变水平，应力松弛主要取决于组织内液体流动而在高应变水平，组织内产生的应变较大，间隙液流量增多，表现明显的长时记忆特性，应力松弛达到平衡的时间延长。另外，固体基质中胶原与蛋白多糖之间的剪切作用，胶原和弹力纤维网与蛋白多糖分子构型构象的改变也可能参与这一过程。
, 百拇医药
由于韧带纤维和囊纤维结构同时并存，不同区域和层次差异较大，在生物力学特性上表现出明显的差异(表2)，关节外侧壁的拉伸强度(破坏应力)和拉伸刚度(弹性模量)较低，说明外侧壁的抗破坏能力和抗变形能力较小，应力松弛方式有可能是承受外来载荷时组织缓冲系统的主要形式。关节外侧壁应力-应变曲线的生理坡脚区范围接近25%(图2)，与盘后组织相似[7]，代表组织的生理应变范围，说明由于组织液和固体基质的相互作用承受了应力和应变而不引起组织损伤，也间接证明了这一点。
理论拟合的结果说明，在小应变下，用获得的应力松弛及应力-应变本构方程可以表征关节外侧壁的流变学性质，用于比较和研究正常、病变、修复或增龄状态下关节外侧壁对各种负载的反应。由于关节外侧壁的抗破坏能力和抗变形能力较弱，长期的口腔副功能活动如偏侧咀嚼，紧咬牙，夜磨牙等可使关节囊-韧带复合结构长期处于超负荷状态，使组织易于遭受损伤，并发囊松弛、运动障碍及疼痛，这在颞颌关节疾病的防治和保健中有一定的意义。
, http://www.100md.com
* 国家自然科学基金资助项目(39270725)参考文献
[1] 李晋唐.骨及软组织流变学概论.成都：成都科技大学出版社，1989
[2] Shengyi T, Yinghua X, Mengshi C et al. Biomechanical properties and collagen fiber orientation of the TMJ discs in dogs. Part 2. Tensile mechanical properties of the disc. J Craniomandib Disord Facial Oral Pain, 1991; 5(1)∶107
[3] 黄 钦，徐樱华.狗颞下颌韧带及关节囊拉伸力学性能比较.华西口腔医学杂志，1993；11(2)∶96
[4] 康 宏.人体颞下颌关节软组织生物力学研究.华西医科大学研究生学位论文，1997∶36
, http://www.100md.com
[5] Fenoll AB, Sequueras OG, Gonzalez JMG. Histological Study of the TMJ capsule:Theory of the articular complex. Acta Anat, 1992; 145(1)∶24
[6] Nell A, Niebauer G, Sperr W et al. Spatial variations of the lateral ligament of the human TMJ. Clin Anat, 1994; 7(5)∶265
[7] Kang H, Yi XZ, Xu XC et al. A Biomechanical study on retrodiscal tissue of the human temporomandibular joint. Proceedings of the 1st Chinese and International conference on Dental research, Shanghai, 1997∶105
(收稿：1997-10-24), 百拇医药
康 宏 易新竹 陈孟诗 吕 锦
单位：康 宏 易新竹 (华西医科大学 口腔医学院，成都 610041)；陈孟诗 (四川大学 工程力学系，成都 610065)；吕 锦 (成都市第一人民医院，成都 610016)
关键词：关节囊；韧带；应力松弛；应力-应变关系；颞下颌关节
生物医学工程学杂志990107 内容摘要 用软组织拉伸力学方法对8个8～15岁新鲜尸体颞下颌关节外侧壁试件共31个进行纵向应力松弛和拉伸破坏实验。结果表明：关节外侧壁是囊和韧带结构的复合体，抗拉伸和抗变形能力较弱，应力松弛方式在缓冲外力载荷中可能起主要作用。用拟线性粘弹性理论对实验结果进行拟合，获取了组织应力松弛和应力应变关系的基本参数值。
A Biomechanical Study on Human Lataral Capsular-Ligament
, 百拇医药
Complex of Temporomandibular Joint
Kang Hong1 Yi Xinzhu1 Chen Mengshi2
(College of Stomatology, West China University of Medical Sciences, Chengdu 610041)
Abstract Tensile mechanical experiments were made on 31 lateral capsular-ligament complex spencimens from 8 fresh temporomandibular joints of human cadavers aged 8～15 years. The tests included stress relaxation at different strain rates and tension test at constant strain rate. Some biomechanical material properties of the tissue were determined. The result showed that the complex had lower tensile strength and tensile stiffness, and the stress relaxatioin was the most important mechanism of spreading stress and absorbing shock. The stress relaxation function and the constitutive equation of stress and strain were obtained with Fung's Quasi-Linear Viscoelastic Theory fitting the experimental results.
, 百拇医药
Key words Capsule Ligament Stress relaxation Stress-strain relation Temporomandibular joint
人体颞下颌关节(Temporomandibular, TMJ)外侧壁对封闭关节间隙，限制下颌运动及稳定关节方面有重要作用，由于外侧壁结构由不同层次方向各异的胶原组织构成，从生物力学观点来看应属复合材料，具有明显的各向异性[1]。研究TMJ外侧壁囊-韧带复合结构的生物力学性质将有助于综合考察TMJ的稳定机制并为探讨不同载荷条件下的损伤机理提供科学依据，为临床颞颌关节疾病的诊治提供参考。
1 材料和方法
1.1 标本处理和试件制备
收集新鲜人体标本4具，男3女1，年龄8～15岁，生前无颞颌关节疾病，用双层塑料袋密封，置-20℃冰箱内低温保存。实验前移至普通冰箱内过夜。室温下逐渐解冻标本，完整分离关节外侧壁，用Ringer's液洗去内侧粘液，在恒冷切片箱(-20℃)中用特制等距离切片刀纵向切取等宽3mm的标本，分层切取厚度为400μm的试件共31个，制备后的试件置-4℃冰箱中以待试验。
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1.2 实验仪器及条件[2]
实验在软组织单向拉伸及应力松弛试验机上进行(Revere Co. USA UMPI-005-A),X-Y函数记录仪同步记录载荷-变形曲线和载荷-时间关系曲线，实验中用Ringer's液滴注，保持试件湿润。实验在室温下(8～14℃)进行。
1.3 实验过程[2，3]
(1)预调：用游标尺测试件原长，以0.01mm/s的应变速度将试件拉伸至10%的应变长度，同样速度卸载，间隔休息10 min，每个试件预调三次即可。
(2)使试件在0～0.25 s内达到9%的阶跃应变并保持100 s，记录载荷-时间关系曲线，卸载休息10 min。同法记录阶跃应变在10%，11%，14%时的关系曲线。
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(3)以0.05mm/s的载荷速度将试件拉伸至破坏，记录载荷-变形关系曲线。
(4)将各组的载荷-变形曲线和载荷-时间曲线转换为相应的应力-应变曲线和应力-时间曲线，实验结果用Fung YC拟线性粘弹性理论进行拟合，求取应力-应变本构方程式。
2 结果
2.1 关节外侧壁囊-韧带复合结构的应力松弛特性
不同阶跃应变下外侧壁结构的瞬时弹性响应对应变水平较为敏感并呈明显非线性关系，应变水平增加，弹性响应也增大(表1)。外侧壁在不同应变水平下的应力松弛主要发生在最初的5 s内，初始应力松弛在9%～18%之间，应力松弛程度随应变水平增高有加大趋势(图1)。
表1 TMJ外侧壁的瞬时弹性响应
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Table 1 The simultaneous elastic response of the lateral wall of the TMJ Strain(ε)
Elastic response(MPa)
0.09
0.0389±0.0243
0.10
0.0522±0.0389
0.11
0.0545±0.0206
0.14
0.0626±0.0408
, 百拇医药
图1 关节囊-韧带复合体应力松弛曲线
Fig 1 Stress relaxation curve of the TMJ capsule-ligament complex in tension
2.2 关节囊-韧带复合结构应力不应变特性
关节外侧壁的破坏应力和破坏能量较小，破坏应变较高，但各组间差异较大。在小应变下，应力的改变很小，但应变在25%以上，应力-应变接近线性关系，斜率的变化明显(表2，图2)。
表2 TMJ外侧壁复合结构的力学性质
Table 2 The mechanical property of the lateral wall of the TMJ Parameter
, 百拇医药
Lateral wall
Failure stress(MPa)
0.638±0.528
Failure strain(%)
36.09±15.57
Failure energy(N*mm)
0.588±0.541
Tensile modulus(MPa)
3.034±2.857
, http://www.100md.com 图2 关节囊-韧带复合体应力-应变关系
Fig 2 Stress-strain relation of the TMJ capsule-ligament complex
2.3 理论分析
用Fung YC拟线性粘弹性理论对应力松弛和拉伸破坏实验值进行拟合[2～4]，得出松弛函数G(t)=C-D.Lnt和应力-应变关系表达式σ=A[exp(Bε)-1]的拟合参数值(表3)，由此可得出不同条件下的本构方程式。
表3 关节囊-韧带复合结构理论拟合参数
Table 3 The theoretical fitting parameters of the capsule-Ligament complex
, 百拇医药
ε=0.09
ε=0.10
ε=0.11
ε=0.14
C
0.9284
0.8707
0.8421
0.8041
D
0.0251
0.0383
0.0341
, 百拇医药
0.0665
A
0.0983
B
3.7039
3 讨论
人体TMJ外侧壁组织学研究认为[5，6]，外侧壁是囊和韧带结构的复合体，构成该组织的胶原纤维存在大小和排列方向上的差异，韧带胶原束粗大，排列致密，抗拉伸能力强，而囊纤维较细小，方向也各异，组织变形性大，主要功能以适应多向的拉伸载荷为主，有利于力的分散传递。应力松弛实验表明，关节外侧壁存在明显的粘弹性，初始应力松弛率(1 s)为9%～18%，介于TMJ关节盘和盘后组织之间[4]，说明外侧壁复合结构既能散力又能维持一定张力对抗载荷，保持关节稳定。不同应变水平对应力松弛效应有一定影响，应力松弛随应变水平增高而加大。按二相理论观点[1]，在低应变水平，应力松弛主要取决于组织内液体流动而在高应变水平，组织内产生的应变较大，间隙液流量增多，表现明显的长时记忆特性，应力松弛达到平衡的时间延长。另外，固体基质中胶原与蛋白多糖之间的剪切作用，胶原和弹力纤维网与蛋白多糖分子构型构象的改变也可能参与这一过程。
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由于韧带纤维和囊纤维结构同时并存，不同区域和层次差异较大，在生物力学特性上表现出明显的差异(表2)，关节外侧壁的拉伸强度(破坏应力)和拉伸刚度(弹性模量)较低，说明外侧壁的抗破坏能力和抗变形能力较小，应力松弛方式有可能是承受外来载荷时组织缓冲系统的主要形式。关节外侧壁应力-应变曲线的生理坡脚区范围接近25%(图2)，与盘后组织相似[7]，代表组织的生理应变范围，说明由于组织液和固体基质的相互作用承受了应力和应变而不引起组织损伤，也间接证明了这一点。
理论拟合的结果说明，在小应变下，用获得的应力松弛及应力-应变本构方程可以表征关节外侧壁的流变学性质，用于比较和研究正常、病变、修复或增龄状态下关节外侧壁对各种负载的反应。由于关节外侧壁的抗破坏能力和抗变形能力较弱，长期的口腔副功能活动如偏侧咀嚼，紧咬牙，夜磨牙等可使关节囊-韧带复合结构长期处于超负荷状态，使组织易于遭受损伤，并发囊松弛、运动障碍及疼痛，这在颞颌关节疾病的防治和保健中有一定的意义。
, http://www.100md.com
* 国家自然科学基金资助项目(39270725)参考文献
[1] 李晋唐.骨及软组织流变学概论.成都：成都科技大学出版社，1989
[2] Shengyi T, Yinghua X, Mengshi C et al. Biomechanical properties and collagen fiber orientation of the TMJ discs in dogs. Part 2. Tensile mechanical properties of the disc. J Craniomandib Disord Facial Oral Pain, 1991; 5(1)∶107
[3] 黄 钦，徐樱华.狗颞下颌韧带及关节囊拉伸力学性能比较.华西口腔医学杂志，1993；11(2)∶96
[4] 康 宏.人体颞下颌关节软组织生物力学研究.华西医科大学研究生学位论文，1997∶36
, http://www.100md.com
[5] Fenoll AB, Sequueras OG, Gonzalez JMG. Histological Study of the TMJ capsule:Theory of the articular complex. Acta Anat, 1992; 145(1)∶24
[6] Nell A, Niebauer G, Sperr W et al. Spatial variations of the lateral ligament of the human TMJ. Clin Anat, 1994; 7(5)∶265
[7] Kang H, Yi XZ, Xu XC et al. A Biomechanical study on retrodiscal tissue of the human temporomandibular joint. Proceedings of the 1st Chinese and International conference on Dental research, Shanghai, 1997∶105
(收稿：1997-10-24), 百拇医药