牙周膜生物力学性质的试验研究进展

牙周膜生物力学性质的试验研究进展

傅肄芃;严斌

【摘要】口腔正畸治疗中,牙齿的移动依赖于矫治力产生的牙周膜(Periodontal Ligament,PDL)反应,PDL的生物力学性质是正确理解正畸牙移动、牙周组织响应和制定正畸治疗计划的关键和基础.由于PDL组成成分多、牙根形态各异,对其生物力学性质的研究较为困难.该文拟对近年来研究PDL生物力学性质的各种试验方法做一综述.%Successful orthodontic tooth movement depends on favorable responses from the periodontal ligament(PDL)under orthodontic forces.Thus the biomechanical properties of the PDL are of great importance for understanding the mechanisms of orthodontic tooth movement and periodontal tissue response and making appropriate treatment plans.However,the complexity of the PDL components,together with large variations of root morphological characteristics,makes it a rather formidable challenge for studying the biomechanical properties of the PDL.Optimal experimental methods and properly designed parameters are often needed to establish a constitutive model for such studies.In this paper,the experimental methods that have been used to study the biomechanical properties of PDL were reviewed.

【期刊名称】《口腔医学》

【年(卷),期】2017(037)009

【总页数】5页(P844-848)

【关键词】牙周膜;生物力学;口腔正畸;本构模型

【作者】傅肄芃;严斌

【作者单位】南京医科大学口腔研究江苏省重点实验室,南京医科大学附属口腔医

院正畸科,江苏南京 210029;南京医科大学口腔研究江苏省重点实验室,南京医科大学附属口腔医院正畸科,江苏南京 210029

【正文语种】中文

【中图分类】R783.5

牙周膜，又称为牙周韧带(periodontal ligament，简称PDL)，最重要成分是由胶原蛋白构成的主纤维，此外还包括基质和血管、神经等成分。牙周膜将牙根与支持的牙槽骨紧密连接在一起，同时分散咬合力至牙槽骨。

在口腔正畸学领域，牙移动的生物力学效应有关的经典假说主要有两个。一是历史较久由Scandstedt、Oppeheim[1]和Schwarz[2]提出的的“压力-张力假说”，认为正畸牙齿的移动是由于一侧牙周膜被拉伸刺激骨形成，一侧被压缩从而骨吸收；另一个是Baumrind[3]提出的“牙槽骨连接”假说，即牙周膜受正畸力产生一系

列应变反应，从而引起牙槽窝发生微小弯曲变形，这种变形决定了牙槽骨的改建，最终导致牙齿移动。两种观点中，牙周膜组织的生物力学特性都是正确理解正畸牙移动、牙周组织响应和制定正畸治疗计划的关键和基础[4]，对设计合理的施力方式、预测治疗效果、缩短治疗周期具有非常重要的意义。

然而，由于人牙周膜平均厚度仅0.15～0.38 mm[5]，分离难度大，测量难度高，且牙根形态复杂，面积难以计算，开展此类实验研究具有较高的挑战性。建立合适的PDL生物力学模型首先需要对PDL的生物力学参数(如应力-应变曲线、弹性模量等)进行研究。探究生物材料力学性质的试验主要有拉伸试验、压缩试验和剪切

试验。而由于牙周膜结构的特殊性，亦有施力使整个牙移动的试验。本文就近年来研究PDL生物力学性质的试验方法及结果做一综述。

拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法，通常研究软组织的生物力学性能[6]，最常采用的是拉伸试验。牙周膜纤维在拉伸过程中经历了胶原

纤维从卷曲状态被拉直、拉直的纤维被继续拉长直至断裂的过程。通过拉伸试验，可以得到牙周膜在拉伸过程中的应力-应变曲线，如果拉伸至断裂[7]，还能得到牙周膜生物力学性质中的断裂强度。

1.1 拉断试验

早期对于PDL生物力学特征的探索来自于日本学者Kaku等[8]，他以新鲜人类尸

体标本为研究对象，将不同牙位的牙齿从牙槽窝中脱位，测量完全脱位时需要的力值，即获得PDL完全断裂所需的应力值。使用类似方法，Chiba等[9]将实验对象扩展到实验动物上。Yamada和Chiba的实验结果均显示使牙完全脱位所需的力

与牙根周围PDL面积呈正相关。

1.2 单轴拉伸试验

Atkinson和Ralph等[10]学者用人PDL标本进行了拉伸试验，在特征区域测得弹性模量为3.7 MPa。Ralph认为，PDL本身是弧形的，影响计算结果。为了解决

这一问题，他又设计了一种实验，并由Mandel等[11]进行了改进：垂直于牙长轴方向制作水平切片试件，试件厚度为1 mm，包含了牙根、PDL和牙槽骨，测试

仪器一端固定骨组织，一端固定牙根组织，力量沿牙根-PDL-牙槽骨方向均匀加载，即为单轴拉伸。这种方法虽然可以获得较为准确的牙周膜面积以及应力应变的结果，但是试件制备难度大，且横断面较薄，横断面上下边缘的牙周膜易被部分破坏。尽管如此，这种方法仍被后来被许多学者所沿用。

有学者[12]制作3岁龄猪恒牙牙周膜的横向切片，采用类似实验方法，发现加载试件到最终的形变，并保持其形变可导致牙周膜的应力降低，即出现应力松弛[13]，

说明牙周膜具有时间依赖效应。

采用这种横断面切片的方法还可用于不同部位牙周膜的生物力学性质的研究。Uhlir等[14]采用动态力学分析仪(TA Instruments, 英国)，对牛切牙牙周膜切片按照以所在牙齿横截面中的部位(颊舌侧、近远中)以及轴向在牙根中的位置(根尖区、根中区)分类进行单轴拉伸试验。结果分析显示颊舌侧牙周膜刚度大于近远中牙周膜，根尖区牙周膜刚度大于根中区。

1.3 动态拉伸试验

牙周膜的功能状态不是一个静止的过程。如咀嚼中，牙周膜的受力是变化并有一定频率的，因此动态试验[15]更加贴近体内实际情况。Oskui等[16]对牛下颌第一磨牙的牙周膜的横断面切片使用DMA测试仪(TTDMA, Triton Technology, 英国)，于0.01 到100 Hz的16种不同频率[17]下进行5次循环拉伸，通过对不同频率下储能模量和损耗模量的分析，结果表明牙周膜是一种粘超弹性材料[18]。

除了上述宏观拉伸试验，微观上，可以对牙周膜细胞进行生物力学性能的测试。麻健丰等[19]采用细胞体外静态机械拉伸加力装置，对人牙周膜成纤维细胞加载不同的应变量，通过激光扫描共聚焦显微镜观察，发现静态拉伸可改变蛋白纤维的排列，对牙周膜成纤维细胞的骨架有所影响。国外学者Papadopoulou等[20]也对牙周

膜成纤维细胞做了研究，对比了循环应力与静态应力下细胞的机械形变。

压缩试验是测定材料在轴向静压力作用下力学性能的试验，以往主要是用于硬组织。因为软组织，比如肌肉、韧带[21]、肌腱[22]、血管等，在功能状态下主要是拉伸状态，目前对于软组织压缩状态下的研究很少，而PDL与其他软组织不同，其功

能状态也包括压缩状态[4]。正畸牙移动过程中牙体受垂直牙体长轴的力作用，一

侧牙周膜拉伸、一侧牙周膜被压缩；而在咀嚼运动中工作尖受力面对应的牙根区域，牙周膜通常也是受力被压缩的。

2.1 单轴压缩试验

Mandel等[11]将前磨牙牙根横断面切片中的牙槽骨部分固定在实验仪器的基座上，加载探头对牙体组织施加垂直方向的压力，模拟牙齿被压入牙槽窝的过程，通过绘制应力-应变曲线和测量PDL的面积，计算出PDL的机械强度为(2.4～

3.0)N/mm2，弹性模量为3 MPa。

朱智敏等[23]制作了人牙周膜压缩试件，截取了牙根的一部分，横向分别为牙根，牙周膜和牙槽骨，由牙根向牙槽骨方向加力，牙周膜压缩变形，通过实验数据拟合应力-应变曲线，计算出压缩弹性模量为(0.540 2±0.348 0)MPa。

2.2 动态压缩试验

Bergomi等[24]将牛下颌第一磨牙试件置于生理盐水中，以0.1、0.5和1.0 Hz的频率做正谐波张力压缩试验，考虑牙周膜的重要组成成分之一液体基质的力学性质，提出牙周膜为一种可以自由流动的多孔固体基质，数值模拟建立其多孔超弹性模型。

2.3 纳米压痕试验

纳米压痕是一种可精确测试软硬组织机械性能的工具，通过大小在10～100 μm

的微小压头对材料表面加载，然后测出压痕区域的相关参数，传感器位移分辨率精确至1 nm，具有微创和适用于微观水平的研究的特点。

Ashrafi等[25]提出利用纳米压痕仪体外测试反映牙周膜生物力学性能的蠕变和应

力松弛，并给出了实验数据处理方法。选用Berkovich压头以0.5 mm/s的速率

将牙周膜压缩至产生原有宽度10%的形变，以此时的应力保载1 000 s，测得了应力松弛、蠕变模量以及时间依赖的泊松比，推测牙周膜符合粘弹性本构模型。

国内学者黄辉祥[26]等使用纳米压痕仪(Nano Indenter TM600，MTS公司，美国)，分别选用Berkovich压头和球形压头对猪下颌第一磨牙牙周膜进行纳米压痕

力学实验测试，分别以0.010和0.001 mN/s的速率加载至最大载荷1 mN后进

行20 s保载，最终对牙周膜的刚度和弹性模量进行评价研究，得到牙周膜超弹性[27]模型的参数，并由20 s保载的时间-位移曲线获得蠕变参数，为本构模型的建

立提供依据。

剪切试验是测定材料在剪切力作用下的抗力性能，也是研究材料机械性能的重要试验方法之一[28]。剪切力是语言、咀嚼、牙齿移动中产生的主要应力之一[29]，目前对于生物软组织的剪切试验研究较少。

Toms等[30]将人第一前磨牙制作成包含牙齿、牙周膜和牙槽骨的12个横切片，使用万能试验机(MTS 858 Mini Bionix, MTS公司, 美国)进行剪切实验。固定牙齿两侧的牙槽骨，牙齿部分置于可移动的平台上，对牙齿部分施力做压入方向移动，通过应力-应变曲线，计算剪切模量，得出准线性粘弹性(QLV)模型可准确表示牙周膜在峰值应力时模型的结论。

Komatsu等[31]将40只大鼠分成2、6、12、24个月龄四组，取左右下颌第一磨牙近中牙根中部横断面切片，以1 mm/min的速率进行简单剪切试验，得到了最大剪切应力和正切弹性模量在2至24个月龄之间降低的结论。

Shirakura等[32]实验使用自动动态粘弹性计(Rheovibron DDV-25FP，海计测特机株式会社，日本)对10颗猪右下第一磨牙牙周膜，以振荡频率从0.01 Hz至100.00 Hz，每个频率进行20次剪切循环，研究其动态剪切特性。

拉伸、压缩、剪切试验均是研究生物材料生物力学属性的基本试验方法，多在体外对牙周膜局部进行研究。而牙周膜作为包绕牙根的一个整体，在受力时，通常是整颗牙周围牙周膜同时发生形变，一侧牙周膜受拉力，对侧受压力。故体外和体内的整牙位移试验得到的牙周膜生物力学性质对于牙周膜本构模型的建立十分重要。

4.1 体外试验

Natali等[33]利用自行研发的光电测量系统对小型猪双根乳前磨牙施加力，牙齿连同周围下颌骨放置在金属载体中并包埋于松脂块中，用三个正交的光电平板传感器测量牙齿的位移，测量结果表明施力和牙齿位移的关系为非线性。Papadopoulou等[34]选取3至12个月小型猪健康的第二、三乳前磨牙模拟人类

的第一、二磨牙。将下颌骨切成包含前磨牙及周围牙周膜、牙槽骨的组织块，将下颌骨1/3包埋。力施加于牙冠舌侧中央，预先设定牙齿位移量为0.1 mm和0.2 mm，分别在5～600 s内完成实验，达到设定位移后，保持静止600 s。应用Hexapod生物力学测量仪器(Hexapod M850, PhysikInstrumente公司,德国) 测量PDL应力-应变值。该实验引入了时间变量证明了PDL应力-应变的时间依赖性，得出PDL粘弹性特征。

Poppe等[35]运用人体标本进行试验，部分包埋前牙牙槽骨，切端安放三维正交

二极管发光元件以记录牙齿在三维方向上的位移，即为PDL的形变量。实验时，

对牙面施加载荷。研究结果表明牙初始移动中的非线性特征可以用双线性来表示，第一相杨氏模量是0.05 MPa，第二相0.28 MPa，泊松比μ=0.3。

4.2 体内试验

体外生物力学测试难以保证牙周膜的生物活性，通过对离体组织的研究得到的生物力学属性，不能完全代替真实情况下牙周膜的性质，故牙周膜生物力学性质的体内研究也十分重要。

Jonsdottir等[36]对7只比格犬的下颌牙齿进行了整牙移动实验。为了防止对测量设备的干扰，拔除了下颌双侧第三、第四前磨牙以及上颌第二、第三前磨牙及第一磨牙。两侧下颌第二前磨牙和第一磨牙间置入种植体，通过弹力圈对下颌第二磨牙进行两次加力，分别是100 cN和 300 cN；100 cN和50 cN，加力时间为5 h。时间-位移曲线显示快速的瞬时响应仅仅持续几秒钟，之后是位移缓慢下降的蠕变

阶段，推测牙周膜是一种纤维增强、非线性的多孔粘弹性材料。

日本学者Yoshida等[37]以2名成年咬合正常女性为受测对象，使用磁力位移传

感器测量上中切牙加载后的位移情况。试验时，加力装置每间隔3 s加载0.5 N至2.0 N的力，同时记录相应的牙位移状况，此时可认为牙位移即为PDL的形变。Jones等[38]试验以10名健康的成年志愿者为受试对象，在个性化咬合垫上加载

探头与激光测距装置，受试对象咬紧咬合垫，保持受测牙与实验装置相对静止。Keilig等[39]改进了以上方法，选取5名21～33岁牙周组织健康的志愿者，将2 mm厚的个性化咬合板固定在志愿者口内。利用集成压电致动器在0.1 s和5.0 s 之间的负载时间内，使左上中切牙发生唇舌向0.15 mm的位移。霍尔传感器测量牙冠上磁体的位移可推断牙齿的位移。由该试验所得的应力-应变关系证实了牙周膜在咀嚼、吞咽、受压等不同状态下的时间依赖效应。

综上所述，多年来国内外许多学者对于牙周膜生物力学性质做了许多方面的试验研究。牙周膜拉伸试验，尤其是基于制作横截面切片进行单轴拉伸试验的方法，由于较易准确地获得应力应变结果被许多学者采用。不同于其他软组织，牙周膜还具有压缩的生理状态，压缩和剪切试验可以扩充牙周膜的生物力学性质。体内牙周膜受力常为动态过程，采用动态测试仪器在不同频率下得到应力-应变关系，可以更贴近牙周膜运动状态下的生物力学性质。对正畸牙移动状态下牙周膜的力学性质的探究可在体外通过整牙位移实现，此试验如能在体内开展更为理想。由于牙周膜组成成分多、形态复杂，难以对每一种成分以及牙周膜面积进行精确测量，且试验过程中需保持牙周膜的生物活性，因此现有的研究牙周膜生物力学性质的试验方法还有待改进。

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