关节腔内摩擦系数对颞下颌关节系统生物力学特性的影响

赖林锋++++++方一鸣+++++++吴立军++++++熊国锋

[摘要] 目的 研究关节腔内摩擦系数对颞下颌关节（TMJ）系统生物力学特性的影响，探讨摩擦系数改变因素在颞下颌关节紊乱病发生、发展过程中的作用。 方法 通过自主建立的颞下颌关节系统三维有限元模型，应用有限元软件对颞下颌关节系统进行力学分析，观察摩擦系数改变时的关节系统应力分布及大小变化。结果 当移位侧关节盘摩擦系数增大时，相应该侧的关节盘、髁突所受应力也随即增大。 结论 颞下颌关节紊乱病与关节腔内摩擦系数关系密切，关节紊乱会导致关节摩擦系数增大，摩擦系数增大会促进颞下颌关节紊乱病的发展。

[关键词] 颞下颌关节；摩擦系数；生物力学分析；关节紊乱

[中图分类号] R782.6 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2017）32-0019-04

[Abstract] Objective To study the effect of intra-articular friction coefficient on the biomechanical properties of temporomandibular joint system， and to explore the status of friction coefficient change in the development and progression of temporomandibular joint disorder. Methods The temporomandibular joint system was mechanically analyzed with finite element software through independently-established dimensional finite element model of temporomandibular joint system. The changes of stress distribution and size of the joint system were observed when the friction coefficient was changed. Results When the friction coefficient of the articular disc in the displacement side was increased， the stress of the articular disc and the condyle was increased. Conclusion The temporomandibular joint disorder is closely related to the friction coefficient in the joint cavity. The joint disorder can lead to the increase of the friction coefficient， and the increase of the friction coefficient will promote the development of temporomandibular joint disorder.

[Key words] Temporomandibular joint； Friction coefficient； Biomechanical analysis； Intra-articular

颞下颌关节紊乱病是口腔常见疾病，因其病因复杂，目前尚无定论，关节内紊乱、微小创伤、关节内应力被认为是重要发病因素。因此，对关节内解剖形态、摩擦系数及负荷等的变化加以研究，可促进对颞下颌关节紊乱病发生发展的理解，为诊断和治疗颞下颌关节紊乱病提供必要的基础。

随著对颞下颌关节紊乱病认识的不断深入，关节润滑与摩擦在颞下颌关节紊乱病中的作用越来越受到重视。通过补充关节滑液的成分来治疗或缓解关节症状依然是研究的热点[1]，但其具体治疗机制尚未阐明，疗效多依靠临床经验，缺少科学依据及治疗标准。2016年10月至今，本研究通过实验对比不同摩擦系数下的颞下颌关节系统生物力学的变化，以此来探讨摩擦系数改变在颞下颌关节紊乱病进程中的作用及其生物力学致病机制，提高临床治疗颞下颌关节紊乱病的能力，也可为探索新的治疗方法提供思路。

1材料与方法

1.1颞下颌关节系统三维有限元模型建立

选取1例单侧不可复性颞下颌关节盘前移位患者为实验对象。应用CT和MRI各自成像的优势，通过Mimics三维重建软件及Geomagic逆向工程软件，实现对颞下颌关节系统的整体集成建模。将集成后的颞下颌关节系统的表面网格模型以IGES格式导入有限元分析软件Ansys11.0进行自动网格划分有限元单元和结点。建模具体方法见参考文献[2]。建立包括上下颌骨、全牙列及关节盘的颞下颌关节系统个体化三维数字模型。模型见图1。

1.2 实验条件假设和材料力学参数

将模型中各种组织、材料设为均质、连续、各向同性的线弹性材料，变形为小变形。实验中各材料的材料常数参照相关研究[3-5]（表1）。

1.3边界约束和载荷条件

约束两侧颌骨、颞骨表面所有自由度。载荷采用正中咬合时的肌肉力向量，结果参考吴立军[6]的计算，建模时用肌束来模拟每块肌力的作用。另外，为避免上下颌牙齿之间的接触穿透，在上、下颌牙齿之间设置弹性约束。

1.4 内接触单元的设计

颞下颌关节内盘-突间的位置关系及相互接触的方式是模拟准确与否的关键。为此，我们对关节盘、髁突以及颞骨之间均设置为面-面接触单元对，用以模拟关节盘和髁突及颞骨的接触状态及关节盘的滑动与摩擦。Tanaka E等[7]研究认为正常TMJ的摩擦系数为0.001，故我们对正常侧关节盘采用摩擦系数为0.001，一般认为滑膜液可使关节软骨的摩擦系数<0.15，而当关节盘移位时，关节内滑液的质和量均发生改变，从而导致摩擦系数的增大。一些学者曾对关节腔内的摩擦系数进行分析比较研究，发现较低的摩擦系数对关节腔内应力分布的影响不明显[8，9]，因此，我们将前移位侧关节盘的摩擦系数分别设为0.001、0.3和0.4，观察其应力的变化。

2结果

摩擦系数改变对髁突、关节盘应力峰值大小及分布的影响见图2、3。当前移位侧关节盘摩擦系数增大时，相应该侧的关节盘、髁突Von Mises应力最大值均呈上升趋势，关节盘应力从3.87 Mpa增加到7.77 Mpa，髁突表面最大应力从1.17 Mpa增加到1.57 Mpa，而对侧关节盘、髁突Von Mises应力最大值却呈逐步递减趋势，分别从2.21 Mpa下降到1.49 Mpa及0.94 Mpa下降到0.61 Mpa。观察应力分布云图我们发现正常侧其关节盘Von Mises应力最大值出现在中间带外侧部，且分布较均匀（图4）；而前移位侧其关节盘中带出现应力集中现象（图5）；正常及关节盘移位侧髁突的应力分布主要集中在髁突的前斜面（图6、7）。同时发现，在关节腔内摩擦系数改变时，对关节盘及髁突应力分布影响不明显。

3 讨论

颞下颌关节紊乱病病因复杂，关节内紊乱、关节内应力改变被认为是重要发病因素，而关节腔内摩擦系数的改变是否影响颞下颌关节紊乱病的发生发展尚存争议，也缺乏生物力学机制研究。

越来越多的文献报道关节盘移位会出现关节疼痛、骨关节病甚至颌面发育畸形等[10]。关节盘移位时， 关节盘不再获得正常功能下的水合作用，可导致关节盘的萎缩和吸收，或者出现双板区和关节盘的纤维化及关节盘表面的不规则，如裂缝、原纤维形成，使其与关节窝和关节软骨之间的摩擦增大，因此认为关节盘移位会对颞下颌关节的润滑系统造成破坏[11]。

颞下颌关节是联动关节，包括转动和滑动运动，势必承受各种机械应力和摩擦力，因此关节滑液、关节盘和髁突软骨间的共同精细协作才能保证关节低摩擦和低磨损的能力[12]。在关节紊乱情况下往往出现滑液质和量的改变，从而导致关节盘摩擦系数的增大。长期重负荷或不适受力会导致关节盘表面形态改变，关节盘表面原有的胶原纤维网破坏，凝胶样物质减少，从而使关节腔内摩擦力增大，破坏关节润滑机制[13-19]。

随着对颞下颌关节紊乱病认识的不断深入，关节润滑与摩擦在颞下颌关节紊乱病中的作用越来越受到重视。本实验通过改变患侧关节盘的摩擦系数后观察关节盘、髁突应力峰值及分布的变化，发现当移位侧关节盘摩擦系数增大时，相应该侧的关节盘、髁突所受应力也随即增大。因此，认为关节盘移位后导致摩擦系数增大时，会增大关节盘及髁突表面的应力，从而会促进颞下颌关节紊乱病的发展。同时，随着颞下颌关节紊乱病的发展，又会导致摩擦系数的增大，Nitzna DW[20]研究也表明摩擦系数的增加与颞下颌关节病变的相关性。为此，通过关节滑液的成分补充及关节腔内的灌洗治疗降低关节腔内的摩擦系数来达到缓解或治疗关节紊乱病的目的有其一定的根据。本研究进一步证明了颞下颌关节紊乱病与关节腔内摩擦系数的相关性，故改变关节腔内的摩擦系数也是缓解和治疗颞下颌关节紊乱病的一种手段。

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（收稿日期：2017-08-18）