《牙周组织生物力学》PPT课件.ppt

牙周组织生物力学 一 牙周膜 牙周膜 periodontalmembrance 是位于牙根与牙槽骨之间的结缔组织 主要连接牙齿和牙槽骨 使牙齿固定于牙槽骨内 并可调节牙齿承受的咀嚼压力 具有悬韧带作用 故又称为牙周韧带 periodontalligament PDL 牙周膜是纤维性结缔组织 由细胞 纤维及基质组成 另有血管 淋巴管和神经 1 牙周纤维主要为胶原纤维 少量弹性纤维只见于血管壁 主纤维束的一端埋在牙骨质内 另一端埋入牙槽骨 或分布在牙龈中 正常的主纤维束稍呈波纹状 弯曲值约占牙周膜长度的7 5 故咀嚼时牙齿可有轻微的活动 分组 1 游离龈纤维从牙颈部的牙骨质起 分散于牙龈之中 2 越隔纤维横跨牙槽中隔 是连接相邻两牙之间的强大纤维束 纤维自一牙牙颈部的牙骨质起始 呈水平方向 越过牙槽隔的顶点而到达邻近牙的牙骨质内 保持邻近两牙的正常位置 3 牙槽嵴纤维牙槽嵴顶呈放射状止于牙颈部的牙骨质内 将牙体向牙槽窝内牵引 在牙齿的邻面不见此组纤维 而由越隔纤维所代替 4 牙槽横纤维呈水平方向环绕着整个牙齿 其一端埋于牙骨质中 另一端埋于牙槽骨中 牙槽横纤维 越隔纤维及牙槽嵴纤维都是对抗侧压力的 已往称为环状韧带 5 牙槽斜纤维是牙周膜中数量最多 力量最大的一组纤维 纤维从牙槽骨区向下指向牙根面 与牙长轴成50度 形成牙骨质 牙周韧带 牙槽骨复合体 这组纤维对牙齿起悬吊作用 可以承受较大的咀嚼压力 当牙齿受到咀嚼压力时 由于这组纤维的作用 使牙槽骨所受到的是平均的牵引力 6 根尖纤维细 自根尖部呈放射状至根尖周的牙槽骨 固定牙根尖的位置 总结 1 牙周膜在不同的部位 方向 功能 直径和数量不同 但必需良好的协同作用 牙齿才能稳固在牙槽窝内 2 当牙齿受到垂直压力时 几乎全部主纤维都呈紧张状态 而侧向压力则仅部分紧张 胶原 多种胶原 目前已知 型等 型胶原是形成坚固的纤维附着 使牙周膜具备弹性 抵抗咬合力的组织学基础 型胶原覆盖在 型胶原的表面 加强细胞的附着 型为很短的纤维原 联结于 型胶原之间 型胶原 胶原与细胞外基质联结的桥梁作用 2 基质在牙周膜中 细胞 纤维 血管及神经之间的空隙中均为基质和体液所充满 基质主要由酸性粘多糖和糖蛋白组成 基质及体液成分可减少纤维间的摩擦 与牙支持功能密切相关 细胞外基质 ECM 牙周组织由cells ECM组成 二者的附着是细胞行使功能的基础 PDL的ECM包括多种蛋白成份 胶原蛋白和非胶原蛋白 PDL的动态改建具体表现为ECM的降解和合成 细胞的分化成熟及调亡 ECM的代谢 蛋白酶类中的MMPs TIMPs系统 3 细胞牙周膜自身具备一定的再生改建能力 成纤维细胞 主要细胞 呈梭形或星形 位于纤维之间 其功能分泌胶原 合成基质 成骨细胞 见于新形成骨之表面 位于纤维之间 为高度分化的细胞 主要的功能是形成骨基质 因此表现出典型的合成蛋白质的特征 丰富的内质网 发达的高尔基体 ALP阳性 分泌 型胶原和非胶原蛋白 目前已分离出多种非胶原蛋白 包括骨钙素 OCN 骨桥素 OPN 及骨涎蛋白 BSP 等 新的细胞间质不断产生 并经过钙化而形成骨质 成骨细胞逐渐被包埋其中 此时细胞内的合成活动停止 胞浆减少胞体变形而成为骨细胞 破骨细胞 具备骨吸收功能的多核巨细胞 嗜酸 TRAP染色阳性 仅见于活动性骨吸收的部位 发生吸收处的骨质呈浅的蚕食状凹陷 此凹陷称为骨吸收陷窝 破骨细胞即位于此陷窝内 当骨吸收停止时 破骨细胞即消失 在牙根发生吸收时 也可在吸收的牙根表面见到破骨细胞 来源于造血系统的单核细胞 局部信号 融合 成牙骨质细胞 成纤维细胞的鉴别 光镜下CB的形态不规则而成纤维细胞一般呈纺锤形 就分泌胶原的功能而言 CB不如成纤维细胞活跃 CB能分泌矿化相关蛋白如OPN BSP OCN等 能形成矿化结节 成纤维细胞在一般条件下无上述特性 CB区别于成骨细胞 CB区别于成骨细胞的生物学特性是CB培养与鉴定的关键 目前这方面的研究已取得了一些进展 但仍缺少突破 前者缺乏从ALP活性或微弱的信号 而后者的ALP活性很强 两种细胞可在形态上加以区别 牙骨质黏附蛋白 cementumattachmentprotein CAP 作为CB的一种特殊表达产物 MechanicalLoadingSystemsCompressiveLoadingSystemSubstrateStretchSystemFluidShearSystemCombinedSubstrateStretchandFluidShearSystem SubstrateStretchSystem LoadingModesUniaxialElongationFour PointBending LongitudinalSubstrateStretch 牙周膜的生物学特性从结构和功能上看 牙周膜可以说是 牙骨质和固有牙槽骨的骨膜 其中的成纤维细胞对牙周膜胶原纤维的生成和更新起着重要作用 同时 成骨细胞产生新骨 使新生的牙周膜纤维得以重新附着 保持牙齿和牙周的正常联系 成牙骨质细细胞可形成牙骨质 维持牙骨质的完整健康 正常牙周膜的厚度呈不均匀性 在0 15 0 38mm之间 其中近牙略部最宽 根尖部次之 根中部最窄 说明根中部是生理性活动的支点 牙周膜的结构和它的功能有密切关系 经久不用的牙齿 其牙周膜变薄 排列规则的主纤维束消失 而代之以排列不规则的胶原纤维 牙槽骨的组织结构1 固有牙槽骨牙槽骨的内壁 与牙周膜邻近 骨面有多数小孔 亦称筛状板 牙周膜的血管 神经经此与骨髓腔相通 因其骨质致密 故X线片上固有牙槽针呈现环绕牙根的白线 又称为硬板 2 皮质骨皮质骨位于牙槽骨的外层 是密质骨 骨的外表面是平行骨板 深部为哈弗氏系统 3 松质骨牙槽骨内外骨板中间夹以松质骨 由骨小梁和骨髓腔组成 骨小梁的方向常与咀嚼压力相适应 如磨牙根间的骨小梁呈水平向 而根尖区则呈放射状排列 骨小梁的粗细与多少和牙的功能有关 功能强者 骨小梁粗 废用牙齿周围的骨小梁较细 数目也较少 二 牙槽骨的生物学特性牙槽骨是骨路中变化最活跃的部分 其变化与牙齿的发育 萌出 乳恒牙替换 咀嚼功能及牙齿的移动等均有关系 该变化反映出骨组织的改建 remodeling 过程 破骨与成骨 二者相互平衡的生理过程 在牙齿萌出或移动的过程中 受压力侧的牙槽骨骨质吸收 而牵引侧的牙槽骨新骨形成 三 下颌骨 下颌骨 mandibIe 是颅面部唯一能动者 构成颞下领关节的关键部分 在行使功能和运动中起着主体作用 一 下颅骨的宏观结构由皮质骨 松质骨及牙槽骨组成 下颌骨附着有众多的咀嚼肌 产生咀嚼力 在咀嚼食物过程中 承受和传递力量 整个下颅骨如同一个生物杠杆 咀嚼肌为力点 颞下颌关节为支点 牙列与合为重点 使下颅骨能承受很大的咀嚼压力 其松质骨骨小梁的排列方向与咀嚼压力相适应 排列成牙力轨道和肌力轨道传递咀嚼力 骨小梁的粗细与数目多少均与功能有关 在皮质骨有定向结构 表示合力方向 由胶原纤维走向决定 显示哈弗氏系统的伸展方向 构成受力支柱 二 微结构典型皮质骨由哈弗氏系统 内外环骨板及间板构成 下颅骨的皮质骨凹凸不平 厚薄不均 哈弗氏系统又称骨单元 平行于骨长轴 是皮质骨的基本加强单元和定向结构 在生长发育过程中 哈弗氏系统不断改变 其所占的百分比一般随年龄的增长而增大 因功能不同所占的比例亦有所不同 下颌骨由于萌牙 换牙及负荷的变更而变化活跃 骨单元相对减少 间板增多 使之具有较强的抗弯能力和较大的硬度 三 超微结构骨的基质无机物主要为经基磷灰石 电镜观察为针状或长条状 位于胶原纤维的外侧 沿其长度方向排列 晶体的中心晶轴与胶原纤维的长轴平行 有机物主要为胶原纤维 胶原纤维能抗拉伸 羟基磷灰石能抗压缩 二者联合构成坚实的胶原羟磷灰石纤维 具有良好的力学性能 形成骨的特殊硬度和韧性 牙周组织的基本力学性质一 牙周膜的拉伸和压缩性质属于各向异性 非均匀性的粘弹性材料 具有支持牙齿 传递 吸收和分散合力的功能 牙周膜的形态结构和力学性质是生理功能的基础 由于牙周膜持殊的解剖学特点 使牙周膜的力学性质研究十分因难 目前的研究表明 牙周膜的应力一应变关系是非线性的 并不服从虎克定律 存在着弹性滞后 应力松弛和蠕变等现象 简单地用弹性模量来表述二者的关系会产生很大的误差 陈新民 赵云风对新鲜牙质膜的应力 应变关系采用幂 指数 回归关系和划分区域表述更符合临床实际情况 牙周膜属非线性材科 BaIph等研究了人离体牙牙周膜受力后的形变 当载荷从0 1N增至0 3N时 牙周膜的形变从0增至31 则 载荷增至0 6N时 形变为41 而载荷增至5 0N时 形变仅为66 m 载荷 形变曲线为S形 可见牙周膜属于非线性材料 非线性的特点取决于组织结构 牙周膜的载荷 形变曲线可分为三段 起始段载荷与形变呈指数关系 第二段载荷与形变几乎呈线性关系 其斜率相当于牙周膜的弹性模量 终末段载荷与形变呈不规则曲线关系 起始段体现牙周膜纤维对力的快速生理反应 第二段体现大多数纤维被动拉直的特性 终末段反映纤维逐渐断裂至几乎完全的过程 最大负荷 最大形变 最大负荷与牙周膜面积的比值为牙周膜最大抗拉强度 方法目前 研究牙周膜应力 应变的主要方法是单轴拉伸试验 从牙根某一横断面制备包括牙槽骨 牙周膜及牙体组织的切片作为试件 在材料试验机上一定加载速率下记录载荷 形变曲线 载荷与牙周膜宽度的比值代表应力 形变与作用面积的比值代表应变 把载荷 形变曲线转化为应力 应变曲线 2牙周膜具有粘弹性 牙周膜中除纤维外 还包括基质 细胞 血管和神经等 这些组织基本不属于弹性体 应力 应变曲线呈现粘弹性物质的特性 1 牙周膜的蠕变现象试件接受加载时会产生一定的形变 虽然载荷无变化 但试件的形变随载荷作用时间的延长而增加的现象称为蠕变 牙周膜受到拉伸 压缩或侧向力时均出现蠕变 蠕变量随荷重增加而增加 牙周膜的应力松驰现象某些材料变形时 内部产生一定的应力 如果其形变保持不变 材料内部的应力随时间的延长而逐渐减少 该现象称为松驰 弹性滞后应力 应变曲线的进程曲线同回程曲线不重合的现象称为弹性滞后 3牙周膜的各向异性和非均质性 牙周膜是一种非均质性的材料 因此牙周膜不同点 不同方向上 其力学性质不完全相同 不同牙根平面的牙周膜 其生物力学性质不同 牙周膜作为生物软组织 有生长和改建的性质 所以不同发育阶段的牙周膜的生物力学性质不同 发育早期 3 12周 的大鼠 其牙周膜的最大负荷 弹性模量 剪切破坏能量密度 都随时间的增加而显著增加 不同功能状态 4周龄大鼠的磨牙牙周膜的最大抗拉强度为21 1N 拔除对颌牙8d后 实验组牙周膜最大抗拉强度下降至5 4N 不同牙位 磨牙明显高于切牙牙周炎病变的不同阶段 种间差异 牙周膜宽度及组织结构差异所致 牙周膜的应力分布 牙槽骨高度对牙周膜内应力的大小和分布的影响FEM结果表明 牙周膜内的应力随牙槽骨降低而逐渐增大 但在牙周膜的不同部位应力增加的幅度不同 呈非线性的关系 牙槽骨吸收在根长的20 以内时应力的增长较平缓 牙槽骨吸收超过根长的20 以后应力的增加幅度明显加大 合力在牙槽骨内传递分散具有一定的规律 牙齿受力时应力向邻近左右牙槽骨内扩散 一般扩散至三 四个牙位的牙槽骨区域 合力从受力牙到扩散至最后的牙位牙槽骨区 应力逐渐递减直至消失 二 牙槽骨和下颌骨的拉伸和压缩力学性质 颌骨的力学性质取决于骨的材料 显微结构 全骨的形状 包括 胶原纤维的多少 哈弗氏系统的方向 大小 多少及间板的层数 而这些结构又与牙的功能活动有关 骨的形态和结构又取决于骨的功能 同时 骨的材料性质和形态结构又是骨功能活动的基础 因此 研究下颌骨及牙槽骨的力学性质 必须与其组织结构 功能分析结合起来 应力分布情况 致密坚硬的皮质骨比相对应部位的网状琉松的松质骨的应力值大20 30倍 说明皮质骨在下颌骨承受负荷时发挥了主要作用 通过光弹法和有限元法对下颌骨应力分布情况进行了分析 发现应力集中区多位于髁突前斜面 喙突 下颌切迹等部位 胡凯 1997 vollmer 2000 孙健 2004 髁突颈部 喙突后侧 下颌角等部位为应力集中区 并发现3条应力轨迹线 从下颌体至下颌角 下颌体沿后牙牙槽嵴远端下颌支前缘至喙突 喙突后侧至髁突颈部 一 牙槽骨的各向异性性质人体下颌骨及牙槽骨的皮质骨的力学性质表现出较明显的各向异性和非均匀性 弹性系数是方向的函数 各个方向的力学性质存在明显差异 近远中向的弹性模量和泊松比大于合龈向 下颌骨及牙槽骨皮质骨这种力学性质与其组织结构及生理功能有关 第三节下颌骨和牙槽骨的各向异性性质 下颌骨皮质骨是一种多相的复合生物材料 主要由羟基磷灰石和胶原纤维组成 下颌骨皮质骨轴向弹性模量界于二者之间 但其力学性能更好 既能避免硬材料的脆件破坏 又能避免软组织的过早屈服 用复合材料力学的一般方法对二者简单的线性叠加为基础的复合计算并未达到预期目的 对此学者们提出利用各种模型 颌骨是各向异性 具有塑性性质和脆性性质的复杂的生物材料 有学者认为骨皮质是坚硬的组织 近似于各向同性体 与常用的工程材料相似 因此 对颌骨进行加载测试 若作为各向同性体来研究 可大致符合虎克定律 其负荷 变形曲线在一定的范围内基本可呈线性关系 从生物力学来看 骨组织是矿物质和胶原基质组成的复合材料 有学者认为骨属于粘弹性材料 皮质骨和松质骨是骨组织的两种类型 骨皮质和骨松质其实是一种材料 仅仅是同一种材料的疏松度和密度的差异 几乎所有的生物固体都是粘弹性体 只不过有的弹性较强 有的粘性较强 在程度上有差别 故讨论骨的生物力学性能时 必须指明研究骨的哪一部分 在实际研究中 多计算某一结构层次的平均力学性能 下颌骨皮质骨也是增强型的粘弹性复合生物材料 原则 要求用复合材料力学方法 同时应考虑其粘弹性和胶原纤维增强的特性 二 牙槽骨的各向异性性质在牙槽骨皮质骨的力学分析中 近远中向 合龈向和颊舌向相当于轴向 横向和法线方向 由于其皮质骨很薄 与法线方向有关的应力分量与轴向 横向的应力分量相比很小 故常忽略不计 将力学分析简化为广义平面应力问题来建立应力 应变关系 第四节下颌骨的强度及断裂一 下颌骨的强度强度是骨的重要力学性能之一 指负荷未达到骨折时骨内所承受的最大应力 表现为抗拉 抗压 抗弯 抗转 剪切及联合载荷的强度 骨的强度是非均匀的 不同骨骼及其不同部位的强度是不同的 骨的强度是各向异性的 随加载方向与骨长轴之间的夹角变化而变化 以骨轴向强度为最大 横向强度 合龈向 最低 骨的强度随各人的年龄增大而减小 骨的强度因骨的结构不同而不同 人下颌骨在压缩情况下 断裂平面的方向一般与载荷成60度的角 为斜形骨折 骨的扭转破坏 是沿着骨结合线的剪切破坏 在骨试件轴向拉伸破坏中 破坏面垂直于轴向载荷的平面上 表现为横向骨折 总之 板层间的区域或骨结合线是骨中力学上主要的脆弱处 二 下颌骨的断裂骨是多孔结构 属于裂纹体 其断裂力学性呈各向异性 对骨的研究 应考虑到骨原有的裂缝和缺陷 骨的密度和显微组织结构对骨的断裂力学性质有明显影响 骨断裂实验证明 密度增加5 能使断裂韧性增加30 Thankyou