《牙周組織生物力學(xué)》PPT課件

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1、牙周組織生物力學(xué),一、牙周膜,牙周膜(periodontal membrance)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(periodontal ligament, 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:,1)游離齦纖維 從牙頸部的牙骨

2、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)

3、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。 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，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

4、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?；|(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、

5、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。此時細(xì)胞內(nèi)的合成活動停止，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

6、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：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；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(cementu

7、m attachment protein，CAP)作為CB的一種特殊表達(dá)產(chǎn)物.,Mechanical Loading Systems Compressive Loading System Substrate Stretch System Fluid Shear System Combined Substrate Stretch and Fluid Shear System,,Substrate Stretch System,,Loading Modes Uniaxial Elongation Four-Point Bending,Longit

8、udinal Substrate Stretch,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。,、牙槽骨的組

9、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、

10、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。,整個下顱骨如同一個生物杠桿，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

11、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

12、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

13、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31 則；載荷增至0.6N時，形變?yōu)?1 ；而載荷增至5.0N時，形變僅為66m。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

14、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)

15、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

16、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21.1 N，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

17、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)

18、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

19、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(jì)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

20、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(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、

21、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??； 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。,,,,Thank you！,