摘要
从生物力学到力学生物学、再到力学学科与生命和医学前沿交叉领域的力医学,生物力学有力地推动着生物医学工程领域的发展,在现代疾病诊疗中扮演着举足轻重的角色。同样地,研究口腔生物力学有助于突破口腔研究瓶颈和解决口腔临床难点问题。本文结合2022年口腔生物力学领域的最新进展,着重从口颌系统主要的力学器官及其相关的力医学两个部分探讨生物力学在口腔领域的发展和应用情况,并特别关注力学生物学调控和力治疗,探讨口腔生物力学的发展方向,以期助力口腔临床医学与口腔生物力学结合成果的转化与应用。
关键词:
口腔
口腔生物力学
力学生物学
力医学
力治疗
口腔生物力学作为生物力学的一个分支学科,主要是应用生物力学原理方法和工程技术,研究和防治口腔及颌面部疾病,是口腔医学与力学、工程学、运动学等多种学科和技术相互渗透、逐渐融合而形成的一门边缘、交叉学科。早在公元前338年,亚里士多德(Arisotle)在《Mechanics》一书中分析了使用牙钳拔牙的优势,认为牙钳的夹持与杠杆作用能使拔牙更省力,这是最早运用生物力学原理设计工具解决口腔临床问题的实例。此后,“力”广泛渗透在口腔各个学科专业的生物学基础与临床应用之中。生物力学在口腔领域的最大成就是助力产生了一个全新的学科——口腔正畸学,这也是整个生物力学领域一直引以为傲的应用实证。其实除了正畸,口腔生物力学的知识与应用也广泛渗透在口腔修复、种植、外科、关节等各个口腔专业领域中,例如：一个好的修复体要耐力、一个好的正畸治疗要控力、一个好的口腔材料要能抗力、一个好的颞颌关节要能分散力。可以说,掌握口腔生物力学规律是实现高质量口腔治疗的重要保证。生物力学方法是更深入认识口腔生理病理学特点,以及更准确研究与解决口腔临床问题的重要工具。
口颌系统是以牙齿颌骨、颞下颌关节(temporo-mandibular joint, TMJ)、咀嚼肌为核心,由中枢神经系统调控的功能运动整体,该系统的各组成部分在咬合力的发生与传导中密切协作,共同保障咀嚼这一重要的生命功能。掌握生物力学的基本原理和常用研究方法,将生物力学知识运用于口腔医学领域,可以从全新的力学生物学角度理解口颌系统的生物力学规律,实现医学、力学、生物、材料、信息学等多学科的交叉和科技资源的聚集整合,以生物力的合理应用为牵引,聚焦颌骨、TMJ、牙体牙髓组织、牙周组织和口腔黏膜组织等力学器官的力学特性、力学生物学响应及力学信号转导机制,研究力学调控口腔组织分子与细胞动态特性和功能特征,挖掘口腔生长发育与改建的生命本质,揭示口腔临床技术机制,发展生物力学的口腔应用,助力通过多学科交叉创新解决口腔临床瓶颈问题。
本文从力学生物学(mechanobiology)特性及力治疗(mechanotherapy)两大方向入手,对2022年国内外对口颌系统中颌骨、TMJ、牙体牙髓、牙周组织、口腔黏膜等力学敏感器官与组织的口腔力学生物学研究及力医学应用方面的最新进展进行总结(见 图1 )。
正畸牙齿运动是外力在牙周膜内产生压力区和张力区的结果,正畸治疗期间张力区发生新骨形成,而在相邻的牙周膜压力区牙槽骨发生骨吸收,这一过程与力学作用过程关系密切,特别是牙周膜细胞(包括牙周膜成纤维细胞和牙周膜干细胞)的力学生物学响应。因此,关于力在正畸治疗中的作用研究,主要集中在针对牙周膜细胞在力学作用下对骨代谢过程的调控方面。Huang等 研究发现,机械力能够促进源自牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cells,PDLSCs)的外泌体的生物发生,并改变外泌体蛋白质组谱以诱导破骨细胞分化,从而增强正畸力诱导的牙齿运动过程[见 图2 (A)]。同时,在正畸牙齿运动过程中,牙周膜干细胞本身也会受到机械力刺激发生成骨分化,有助于牙槽骨重塑,这一过程受miRNA调节。Meng等 研究发现,miRNA-34a和miRNA-146a能够抑制循环拉伸诱导的PDLSC成骨向分化,从而作为力学调控正畸治疗的靶点。Lee等 合成了一种新型硅酸钙/甲基丙烯酸明胶助氧水凝胶负载牙周膜干细胞,通过对水凝胶施加循环拉力,发现仅外源性机械力刺激即可影响牙周膜干细胞向成骨细胞的分化[见 图2 (B)]。正畸牙齿的移动主要取决于牙周组织中的生物和机械反应,特别是牙周韧带和牙槽骨在力学刺激下的重建过程。Liu等 通过在大鼠中建立正畸牙齿移动模型,探讨了正畸力与GSK-3β/β-catenin通路在诱导正畸牙齿运动过程中骨吸收的作用。结果发现,压缩力可以通过破骨细胞中的GSK-3β信号通路参与调控体内正畸牙齿运动期间的牙槽骨吸收与改建进程[见 图2 (C)]。
正畸力不当会导致牙根吸收或破坏性骨吸收。有研究指出,辅助性T细胞17(Th17)和调节性T细胞(Treg)可能在牙齿运动期间积极参与骨重塑。结合体内外研究,Lin等 研究了牙周膜成纤维细胞(periodontal ligament cells,PDLCs)在不同正畸力和皮质切开术下对Th17/Treg细胞的影响,发现在正畸牙齿移动的过程中,过大的力会导致牙根吸收和炎症性骨破坏,该过程与增加的Th17细胞有关。皮质切开术可以加速牙齿运动,而不会引起牙根吸收和牙周骨质流失,这可能与Treg细胞表达增加有关。该研究结果为通过调节正畸中的Th17/Treg细胞来预防炎症性损伤提供了新的视角。在机械力诱导的牙槽骨重塑过程中,巨噬细胞介导的局部炎症起着关键作用。Xu等 研究表明,机械力诱导的Ccr2巨噬细胞簇的功能转移是由NF-κB途径介导,导致促炎反应和骨重塑,促进正畸牙齿运动和牙槽骨重塑。
除了牙周膜细胞外,正畸牙齿运动过程中各种神经肽、受体表达变化等神经调控过程也对骨骼重塑起着重要的调节作用。Zhang等 综述了目前治疗负荷下正畸牙齿移动期间骨重塑神经调控及牙周韧带内生物学应答的研究进展,神经系统参与调节破骨细胞和成骨作用,正畸牙齿移动期间牙周膜代谢的几种途径,包括神经肽在中枢和外周循环中的作用、牙齿运动过程中神经源性无菌炎症的介导,以及PDLSC / PDLC上表面受体表达的调节。然而,神经肽和神经系统如何诱导牙周韧带炎症并因此影响牙槽骨重塑的详细机制尚不清楚。此外,神经肽的调节以及牙齿运动过程中神经系统在机械刺激下调节PDLSC/PDLCs和免疫细胞的具体机制仍有待进一步探索[见 图2 (D)]。
正畸过程涉及多种组织与细胞,部分药物也参与了力促进牙齿移动调控的过程中。大麻是世界上使用最广泛的娱乐性药物,早期研究表明,这种药物会影响骨骼重塑。Klein等 评估了屈大麻酚在受到正畸力时对组织健康的大鼠肺泡骨重塑的影响,发现应用屈大麻酚组牙齿压缩侧没有骨吸收,张力侧骨形成增加,牙槽嵴高度保持不变,牙槽骨中的破骨细胞和成骨细胞也明显多于对照组,表明屈大麻酚能够通过减少骨吸收来减弱正畸牙齿运动。牙周病患者的正畸牙齿移动会增加由于牙周组织炎症而加剧牙槽骨质流失的风险。Satomi等 研究发现,局部信号蛋白3A(Sema3A)可通过局部给药预防牙周炎小鼠正畸牙齿运动期间的牙槽骨质流失,而不会抑制正畸牙齿移动过程。
TMJ是颌面部具有转动和滑动运动的左右联动的力学器官,其各个组成部分及关节韧带为行使下颌功能活动提供了重要解剖基础。TMJ髁突软骨是一种典型的黏弹性组织。髁突软骨内没有血管,不能够将循环系统内的干细胞输送到软骨缺损处。同时,软骨细胞和前体细胞都被细胞外基质包裹在细胞陷窝中而无法在软骨组织内自由游走,也就无法游走到软骨缺损处,导致受损软骨自我修复能力非常低。髁突软骨表面小的软骨缺损往往会改变整个TMJ的力学微环境,进而加重关节软骨的异常受力,循环往复,软骨破坏面积扩大、加深,严重者可导致关节面变形、关节疼痛以及功能障碍。正是由于TMJ机械负荷的增加与TMJ疾病的发生和发展密切相关,TMJ关节面形态对关节负荷的影响一直是TMJ生物力学的研究热点。Sagl等 采用ArtiSynth建模工具包建立了TMJ及肌肉激活模式的生物力学模型,发现磨牙位置和牙齿倾斜度对TMJ负荷的影响较小,但更多位于前方的牙齿接触会导致TMJ机械负荷增加。TMJ压力与浅层颌间肌激活度相关性最大[见 图3 (A)]。磨损面倾斜度的增加会导致TMJ负荷的减少,磨损面位置对TMJ的影响可能更大 。Liu等 利用单侧前交叉 (unilateral anterior crossbite,UAC)诱导的TMJ 骨关节炎(osteoarthritis,OA)大鼠动物模型发现,异常的生物力学负荷可导致软骨细胞来源的外泌体合成增强,加速TMJ OA软骨的异常钙化。Xu等 在UAC大鼠中同时观察到了TMJ软骨深层钙化所致的软骨硬化,以及因蛋白聚糖丢失和软骨细胞成脂向分化所致的TMJ髁突软骨组织弹性模量下降。
进一步探究TMJ的力学生物学效应与机制,Qi等 研究发现,Ras相关蛋白RAP2A是髁突软骨中的重要力学信号转导分子,其可通过Hippo/YAP途径传递细胞外基质刚度信号。RAP2A/Hippo/YAP对于软骨细胞表型转换和基质合成至关重要。RAP2A缺失通过YAP信号通路破坏软骨稳态并改变软骨细胞表型,从而加重TMJ OA的软骨降解,并由此提出RAP2A或YAP有可能成为治疗TMJ OA软骨退行性变的潜在靶标[见 图3 (B)]。另一方面,有研究发现,流体剪切力信号可通过抑制miR-199a-3p 的表达,解除对CABLES-1表达的抑制,进而促进成骨细胞增殖,并由此提出该miRNA有可能从调控成骨进程的角度为未来力学刺激在骨关节疾病治疗中的临床应用研究提供新思路。此外,针对TMJ软骨修复的新靶点受到更多的关注。Feng等 研究发现,压力刺激能够上调BMSCs细胞膜片中炭疽毒素受体蛋白1(ANTXR1)的表达,同时还能促进其向软骨细胞分化,并首次从力学生物学角度对ANTXR1的首次深入概述,重点分析了ANTXR1作为一种潜在的细胞膜力学信号感受分子的结构和功能证据[见 图3 (C)]。
颞下颌关节紊乱病(temporalmandibular disorders,TMD)是以口颌面部疼痛、下颌运动障碍以及关节弹响为症候群特征的一大类疾病的总称,包括结构紊乱性改变以及器质性病变。使用咬合板治疗改变TMJ神经肌肉反射和降低关节内压力是TMD的常见治疗方法。鄢梨等 研究发现,同一个体佩戴不同厚度咬合板后,TMJ各结构与髁突关节盘的位置改变有很大关系。厚度5 mm的稳定型咬合板可以减小可复性前移位(anterior disc displacement with reduction,ADDwR) 患者关节窝软骨及双板区的应力,提示临床该类患者治疗时,可在保证舒适的前提下,推荐使用较厚咬合板以获得更有利的应力分布。当保守治疗无效时,功能障碍持续存在,则需采用外科手段干预。有研究采用富血小板纤维蛋白(platelet-rich fibrin, PRF)与适宜压力预调的骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)膜片的双膜复合体进行TMJ软骨缺损的修复,在兔髁突软骨缺损动物模型获得良好的修复效果;并发现压力可与PRF力化耦合促进BMSCs的成软骨分化,其中Wnt/β-catenin发挥着正向调控作用,而 Wnt/Ca 2+ 信号通路则发挥着负向调控作用[见 图3 (D)] [17-18] 。Zhao等 开发出聚乙烯醇水凝胶(PVA)材料用于关节盘置换术,但其局限性在于力学参数表征为羊TMJ关节盘而非人类TMJ。Trindade等 针对组织工程化关节盘进行研究,提出脱细胞技术有望获得具有适宜生物力学结构和生化成分的细胞外基质。若关节病损进一步加重,则需要使用假体全关节置换手术来治疗严重退行性骨关节病。相关研究主要集中在使用有限元分析方法进行人工TMJ的材料选择分析,如传统钛金属或聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK),以及髁突头部形态对髁突假体稳定性、关节运动以及关节窝应力分布影响的研究 。
2022年针对牙体牙髓组织的生物力学与力学生物学研究继续集中在对牙髓组织的仿生及组织工程化重建、牙体组织磨损方式、牙髓组织感应温度控制、外伤对牙髓的影响及其牙髓病根管治疗器械的优化研发等方面。赵丽君等 采用有限元方法构建可折叠微板表征单细胞三维状态下的牵张力,反演活细胞在体生理环境中细胞三维铺展。结果显示,细胞研究模型优化使得细胞与其周围支架材料相互作用的力学生物学研究更贴近生理状态。研究发现,PIEZO离子通道介导了成牙本质细胞在各种病理生理条件下的机械传导,并最终将物理力转化为生化信号 [23-25] 。通过研究牙髓组织的生物力学过程,可以更好地理解热力学微环境对牙髓健康和功能的影响,为牙体牙髓病的诊断和治疗提供更多的科学依据和方法。
根管锉是根管治疗的主要器械,根管锉的性能直接影响根管治疗的质量。镍钛(NiTi)合金在根管系统的清理和塑形方面得到了广泛的研究,主要集中在镍钛锉的设计、横断面形状和尖端几何形状、运动方式(例如旋转锉系统、往复式锉系统等)以及锉的磨损情况、灵活性和抗周期性疲劳能力、冶金和机械性能方面。目前,围绕器械表面设计和热力学处理方面已进行了广泛的研究,利用微计算机断层扫描(Micro-CT)技术比较发现,改良的ProTaper Next 技术(PTNm)与TruNatomy 技术(TN)在磨牙弯曲根管的成型中都具有保持原始解剖结构的特性 。Shaik等 比较了ProTaper Gold和WaveOne Gold(WOG)镍钛旋转器械在模拟S型根管中的塑形能力,WOG的术后疼痛程度低于Hyflex EDM(HEDM)。Silva等 比较了新型热处理镍钛旋转锉 Genius Proflex(25/0.04)、Vortex Blue(25/0.04)和 TruNatomy(26/0.04v)在刀片数量、螺旋角、横截面设计和刀尖几何形状方面存在的差异。结果表明,Genius Proflex R相开始和结束温度最高,TruNatomy最低;相应的,Genius Proflex断裂时间和周期长,TruNatomy最短;TruNatomy的柔韧性最高,而Genius Proflex和Vortex Blue之间没有差异;在最大扭矩、断裂前旋转角度和塑形能力方面,三者没有显著性差异( P >0.05)。但在表面功能化领域,Chan等 提出未来的研究方向为将纳米技术应用于镍钛(NiTi)器械表面功能化。另外,根管锉新材料的开发是根管锉改良及助力根管治疗后续发展的重要研究内容 。
牙周膜生物力学是口腔生物力学中不可忽视的一个组成部分。一方面,牙周膜受到来自外界的咬合力、正畸力、创伤性外力等的作用;另一方面,牙周膜本身具有黏弹性力学特征,故针对牙周膜及牙周膜细胞的生物力学研究充满了挑战。通过体外模拟牙周膜受到的外力或内力作用探究牙周膜细胞的力学生物学行为,或是通过材料模拟牙周膜力学特性实现牙周膜仿生力学修复,成为牙周膜生物力学的研究热点。
为了探明力对牙周膜改建及修复的影响,Zhang等 模拟咬合力对体外培养的PDLSCs加载力学刺激,发现PDLSCs中可表达一种促组织再生修复的力生长因子(mechano growth factor,MGF),MGF能够通过提高Yes相关蛋白(YAP)357位酪氨酸位点磷酸化水平促进PDLSCs增殖及成纤维分化。另外,Shi等 研究发现,适当的流动剪切应力(fluid shear stress,FSS)能够激活p38调节Akt和cofilin的磷酸化,并以时间依赖性方式重塑细胞骨架和局灶黏附,诱导牙周膜细胞形成肌动蛋白帽,增加核孔径,从而促进YAP的核易位,促进PDL细胞的增殖[见 图4 (A)]。长链非编码RNA(lncRNA)在各种生理和病理生理过程中起着重要作用,然而机械力对lncRNA的影响及其在PDLSC成骨分化中的作用尚不清楚。Zhang等 研究发现,在机械力作用下,lncRNA小核仁RNA宿主基因8(SNHG8)在PDLSCs中的表达呈稳步下降趋势。SNHG8表达的降低促进了PDLSC在机械力作用下的成骨分化,为非编码基因调控细胞分化提供了确凿的证据,可以作为正畸期间骨重建或牙周组织再生的潜在治疗靶点[见 图4 (B)]。此外,深入了解机械应力对炎症的调节作用有助于指导牙周炎患者的正畸策略。研究发现,周期性拉伸应变(cyclic tensile stress,CTS)可减少TNF-α诱导的YAP激活,并可阻断TNF-α诱导的IL-6、VCAM-1、ICAM-1上调,而抑制YAP激活则也可阻断TNF-α诱导的炎性因子的上调,从而证实CTS 和 YAP可以对牙周膜细胞的炎症反应及其炎症环境产生影响 。
外泌体在体内存在广泛,参与多种生理及病理过程,包括与力相关的炎症反应性疾病。Han等 综述了外泌体在力相关炎症反应尤其是牙周炎症反应中的作用,指出龈沟液中存在大量外泌体,其携带的miRNA等内容物或许可成为力学刺激作用下牙周组织炎症反应的生物标志物。此外,对于外泌体携带的miRNA以外的成分(如蛋白质和脂质等)在力相关炎症疾病中的作用也尚需深入探索,以进一步明确力学刺激感受细胞所分泌外泌体的具体靶细胞及其在牙周炎症进程及修复重建中的作用机制等。
牙周膜仿生力学治疗是牙周组织工程的重要组成部分,通过模拟牙周膜力学特性实现牙周膜修复与再生受到了广泛的关注。Fraser等 通过一种高度可调的聚乙二醇(PEG)水凝胶包裹牙周膜细胞并通过水凝胶的膨胀来控制细胞的排列并介导应变产生生物力学反应[见 图4 (C)]。与这种思路不同的是,力化耦合的概念被越来越多的学者们应用到牙周组织再生中,通过将力刺激因素与化学刺激因素同时引入牙周组织修复材料中,一方面是针对牙周细胞微环境的仿生化模拟与优化,另一方面是针对组织工程化支架材料的设计。此外,日益深入的牙周再生机制探索及其基础力学加载模型的研究也不少,都越来越凸显出“生物力”这一重要因素。在这一设计思路指导下,Zhang等 根据牙周膜胶原纤维网络与细胞外基质流动形成的黏弹性力学特性,利用亚精胺与海藻酸通过双动态键交联合成了一种全新的牙周膜仿生水凝胶,兼具操作便捷性与良好促牙周膜再生效果[见 图4 (D)]。
随着材料科学发展及对牙周组织力学特性的不断探索,针对牙周手术时使用的屏障膜的研究也日渐增多。Lee等 通过3D打印技术制作了硅酸钙(CS)/甲基丙烯酸鱼明胶(FGelMa)生物支架,并对支架施以循环拉力。结果发现,生物力学刺激可促进支架中所负载牙周膜细胞的增殖和分化以及成骨相关标志物的分泌,提示其具有骨再生的协同效应。Xing等 合成了可见光固化甲基丙烯酸化羧甲基壳聚糖(CMCS-MA)水凝胶膜,证实其具有光固化速度快、生物相容性好、可被溶菌酶降解等特点,而且理化性质、细胞毒性和抗菌活性可调节,并可有效促进牙周组织再生。Malekahmadi等 在电纺聚己内酯(PCL)/明胶(Gel)膜中添加了生物玻璃(BG)或掺铜生物玻璃(CuBG),有效改善PCL膜的润湿性、孔径和弹性模量,并提出微量Cu的掺入可为PCL/Gel/CuBG提供促牙周组织再生的优越性。上述新型屏障膜与传统膜相比的最大改进之处便在于关注了牙周组织的力学特性。
由于部分无牙患者的后期修复治疗很大程度上受到骨吸收过度及牙槽嵴解剖的限制,因此具有即刻负重功能的倾斜种植体越来越多地用于口腔修复治疗中。Mao等 将材料的机械特性与骨生物学结合起来考虑,设计了具有低弹性模量、高强度特点的新型Ti-35Nb-2Ta-3Zr合金(TNTZ)种植体;通过有限元建模模拟人牙槽骨环境,研究其力学性能和结构,发现该新型种植体可有效改善倾斜种植体颈部低应力区周围的应力屏蔽状态,促进该区域的骨重塑,从而提出了一种力学生物学优化的可同时增强应力传导及骨重塑的倾斜种植体材料。
口腔咀嚼黏膜包括硬腭和牙龈黏膜,具有非线性黏弹性特性及各向异性,承受着咀嚼压力和摩擦力。年龄、载荷及持续时间等都会对黏膜的应力-应变产生影响。目前,大多采用有限元分析法体外模拟研究口腔黏膜的受力情况,常见的有线性弹性模型、多相线性弹性模型和超弹性模型。其中,牙周与口腔黏膜界面是口腔组织中的重要结构,它们在保持口腔健康和功能方面起着至关重要的作用。近年来,研究人员对牙周与口腔黏膜界面的研究越来越深入,尤其是在牙周病的治疗和预防方面,通过研究牙周组织的结构、功能和损伤机制,科学家们正在寻找更有效的治疗方法,以提高牙周与口腔黏膜界面的健康状况 。
有限元方法在口腔生物力学建模与分析中被广泛应用。Zhu等 研究了牙齿在不同咬合力下的应力分布情况,以及牙齿在不同矫治力下的移动路径和速度变化。Baghani等 则关注了咬合力作用下牙齿周围组织的力学响应,包括牙槽骨的应力分布和牙周膜的变形情况。另外,还有研究报道了不同义齿设计对咬合力的影响,包括义齿材料的选择、连接方式的设计,以及义齿在口腔中的稳定性和适应性、与周围组织的力学相互作用等方面的问题 [44-45] 。Marin-Miranda等 采用实验力学的方法分析咬合力在口腔中的分布情况,通过力传感器等设备测量不同位置和不同咬合方式下的咬合力。此外,Cifter等 利用von Mises应力和3种不同咬合平面的最大、最小主应力评估咬合平面倾斜角对髁突软骨和TMJ关节盘应力分布的影响,发现咬合平面的连续旋转对髁突的拉伸应力无明显改变,但在咬合平面顺时针及逆时针旋转后,TMJ关节盘von Mises应力向内、向后、向上移位。该研究结果为临床咬合异常所致TMJ紊乱病的诊断和治疗提供了生物力学依据。
“力”渗透在口腔各个学科专业的生物学基础中,生物力学方法是更深入、更准确认识口腔解剖生理学特点及研究口腔医学问题的重要工具。生物力学/力学生物学在口腔疾病的机理研究和诊断技术发展方面有了长足的发展,但在疾病治疗的理论发展和技术应用还比较有限,对于如何通过力学方法来调节生理和病理过程还缺乏定量的认识。此外,对口颌系统的各组成部分而言,咬合力是其发育、改建、重塑的最重要动力,然而目前对该系统力稳态的了解还相对甚少。如果能够定量调节生命体内的力稳态,就能创造一种全新的治疗疾病的策略。基于多尺度力化耦合理论的力医学将提供定量的理论和工具,使研究者可以从不同的空间、尺度、深度认识口腔健康和疾病的发生和发展过程。这些定量的模型和理论不仅可以预测分子、细胞和组织行为,深化对生理和病理的认识,还有望定量指导对病理过程的干预,为人类口腔健康的维持、疾病的治疗开辟新的视角。
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