人工颞下颌关节设计、材料及外科技术研究进展

黄 丹 张跃蓉

颞下颌关节(temporomandibular joint，TMJ)作为口腔颌面部唯一可动关节，其解剖结构精细且运动功能复杂，具有左右联动、转动和滑动并存等特点，是人体最活跃的关节之一。TMJ是言语交流、咀嚼吞咽及表情运动时必不可少的关节，也是口腔颌面部的重要组成部分。由TMJ区肿瘤、关节强直、外伤和炎症等疾病导致的关节形态缺陷、功能丧失和颌面部畸形，严重影响患者生活质量，破坏患者颜面部美观，影响其心理健康甚至上升到社会卫生问题，对临床上修复TMJ功能及形态提出要求。

临床常采用TMJ重建术治疗对保守治疗无效的严重TMJ疾病，但TMJ结构及功能的复杂性使关节重建成为口腔外科医生不断探索研究的临床难题。以往常采用自体骨移植重建术治疗严重影响TMJ功能的疾病，如喙突、肋骨、锁骨及腓骨等。但自体骨移植需开辟第二术区，增加患者手术创伤，并有一定概率发生手术并发症(如气胸及下肢活动障碍等)。此外，自体骨移植有吸收的风险，远期效果存在不稳定性[1]。为寻求更好的TMJ修复方式，人工TMJ重建术应运而生，人工TMJ以其与正常关节解剖结构更相似、创伤小无需开辟第二术区、使用简便及效果稳固等优点，逐渐替换自体骨重建TMJ，成为口腔颌面外科发展最快的修复方式之一[2]。在查阅大量相关文献基础上，综述近年来人工TMJ在设计、材料及外科技术方面的研究。

1 人工TMJ

严重的TMJ疾病常给患者带来极大的生理和心理负担，为解决患者病痛，开始尝试用异体关节即人工关节修复病变关节。异体TMJ重建首次报道于1840年，为治疗TMJ强直患者，约翰·默里·卡诺坎在患者强直的TMJ上制造一个断裂缺口，并在下颌骨残余骨的原始骨表面间放置一个小木块，开启人工TMJ的探索之路[3]。

早期对人工TMJ重建术治疗效果的资料显示不足，无法判断疗效。此后为防止关节强直复发及改善关节运动方向限制等，研究者开始思考用不同异体材料代替关节不同功能结构。1946年，Eggers首先尝试在人类头骨和下颌骨间放置异体材料，为防止关节强直复发，在一位患有广泛TMJ强直的4岁女孩的头骨底部和下颌骨残端放置钽箔代替部分关节窝结构和功能，完成关节置换，后期由于关节吸收等问题而有待进一步研究，随后又相继出现一系列不同设计方式和不同植入材料的人工TMJ，但均因存在缺陷而未广泛使用[4]。20世纪80年代后，TMJ的生理功能开始受到重视，不再简单地模拟TMJ的形状和机械运动。Sonnenburg等[5]认为假体无需与关节正常解剖结构完全一致，为人工TMJ的进一步研究开辟了新思路。经过半个世纪的发展和改进，目前临床上使用的人工TMJ多为与天然髁突解剖形态不完全一致的非解剖式成品关节假体，并开始在欧美国家广泛应用[6]。

2 人工TMJ设计进展

早期对人工TMJ置换的研究停留在部分关节假体置换，大致包括关节窝假体及髁状突假体两种。1957年，Smith和Robinson通过在颅骨和下颌骨间放置一块弯曲的不锈钢板替换关节窝，在髁突上创建一个虚拟的旋转点，完成了关节窝假体置换；1976年，Spiessl采用与天然窝相连的球形髁突头假体治疗TMJ强直，假体通过5～7颗螺钉固定在下颌支上完成了髁突假体置换[4]。该时期，多数接受部分人工关节置换的患者病痛得到一定程度的缓解，但后期均存在严重的骨吸收问题，尽管关节窝及髁状突假体在设计上持续改进，但骨吸收仍是TMJ部分置换无法避免的严重问题，未能进一步发展。

由于早期对TMJ结构和功能等特点研究不深，加之材料和工艺的局限性，人工TMJ的发展应用 并不可观。1965年，Christensen在TMJ窝假体基础上增加一个TMJ髁突假体，完成了全人工TMJ关节置换术，开启了全人工TMJ的探索研究[4]。20世纪80年代后，随着多学科快速发展，人工TMJ从部分结构置换向更加适应TMJ的全关节置换发展[7]。

全人工TMJ假体在设计上是一种类似于髋关节植入物的球窝式人工关节，包括下颌部假体和关节窝假体两部分，通过螺钉固定于骨骼上[8]。下颌部假体多为整体结构，包括人工髁状突和固位器。关节窝设计的不同之处在于假体与髁突的接触面积和关节盘的使用，增加关节窝假体的覆盖面积，可在一定程度上改善髁突的运动范围[9-10]。关节盘具有改变关节运动方向、缓冲应力和保持平衡等重要功能，其重建格外重要，但仍是临床研究难题。

近年来，计算机辅助设计和计算机辅助制造技术应用于人工TMJ设计，利用该技术设计个体化TMJ关节假体使其得以发展应用，更满足个体差异的关节解剖结构需要[11]。目前，临床上应用的人工TMJ产品类型有两种，一种是美国Biomet公司的标准型人工TMJ，另一种是由TMJ Concepts公司根据患者骨骼形状定制的个性化人工TMJ。Leandro等[12]及Wolford等[2]分别在2013年和2015年报道上述两种产品的临床效果，实践证明其可明显改善患者张开度，减轻关节区疼痛，是一种安全有效的关节重建方法并在临床上广泛应用。但标准型人工TMJ很难植入严重TMJ紊乱患者体内，个性化人工TMJ又存在价格昂贵等问题，为改善上述问题并优化假体机械性能和磨损特性，最初作为实验室备选设计的一种新关节假体得以研究应用，即格罗宁根(Groningen)TMJ假体。

格罗宁根TMJ假体是指在假体部分的锆表面和髁突的锆球间插入一个超高分子量聚乙烯圆盘，研究证明，其治疗严重TMJ疾病患者，在改善关节疼痛、张口度等方面具有一定疗效[13]。但格罗宁根TMJ假体尚未上市，制造商评估其财务风险高于盈利机会，故决定不将假体推向市场，临床上可用的TMJ假体系统仍是Biomet和TMJ Concepts系统，但二者磨损特性并不优越。髁突在关节窝内正确的生理位置及关节盘的修复仍是人工TMJ设计的研究重点，设计方向开始逐渐细化。

3 人工TMJ材料进展

TMJ解剖结构精细复杂且运动功能繁琐多样，造成假体各部分功能要求存在差异，对材料性能的要求也各有不同。人工TMJ材料的发展经历众多试探，包括金属材料(箔、不锈钢、钴铬合金和钛合金等)、高分子材料(聚氟乙烯、聚乙烯和超高分子量聚乙烯等)、生物陶瓷和复合材料等。TMJ假体也由早期的金属-金属对接，到逐渐被高分子量材料-金属所替代[14]。

3.1 金属材料

早期受技术和认知水平限制，假体材料选择受局限性强。20世纪30年代，Wiles采用不锈钢制作的股骨头及髋臼为Still患者置换髋关节，拉开了金属材料在假体植入物中应用的序幕，但最终以假体破裂失败告终[15]。受大临床假体材料启发，TMJ假体相继尝试了箔和不锈钢等金属材料，但均因其易磨损、电化学腐蚀性和应力遮挡等严重问题相继被淘汰。直到钴铬合金(Co-Cr合金)以其优良的耐磨性、耐蚀性和低缺口敏感性，成为人工髁突假体的理想材料。但研究发现，长期植入人体的Co-Cr合金会分解出金属离子，具有潜在的细胞毒性及致癌性，临床上应谨慎使用[16]。近年来，钛合金植入体运用广泛，与Co-Cr合金相比其生物相容性更佳，且计算机辅助技术的发展增强了钛合金的力学性能。张庆福等[17]研究钛合金的个性化下颌骨种植体，结果显示其具有良好的力学性能，临床疗效满意。

Co-Cr合金和钛合金现多用于人工TMJ下颌部假体制作。近年来，钛等金属植入体被证实存在各种问题，钛合金材料的高弹性模量导致其作为植入材料会形成应力遮挡，进一步造成骨质吸收[18]。Silva等[19]在钛合金及聚乙烯假体表面涂布一层类金刚石碳(diamond-like carbon，DLC)薄膜，初步研究可改善钛合金和聚乙烯假体的化学和力学性能。DLC薄膜是一种具有类金刚石特性的硬质膜，且具有高耐磨性、低摩擦系数及杀菌性等多种优点，但其初期生物相容性较钛合金和聚乙烯稍差，有待进一步改进薄膜沉积的参数，成为优化人工关节假体的新材料。

3.2 高分子材料

高分子材料在人工TMJ的应用较金属材料晚，经历聚氟乙烯和聚乙烯后，超高分子量聚乙烯因其耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐应力遮挡和生物相容性等优良性能，在人工TMJ材料选择中脱颖而出，目前多用于关节窝假体的材料。但长时间观察发现其后期磨损明显，且会产生细小颗粒导致人工TMJ松脱[15]。故提高超高分子量聚乙烯的长期耐磨性，并使其耐磨性与其余优良性能兼顾成为有待解决的问题[20]。

聚醚醚酮(poly ether ether ketone，PEEK)作为一种新型高分子聚合物材料正被研究应用于人工TMJ假体中。PEEK是一种半晶型芳香族热塑性工程塑料，不仅在机械性能、热稳定性和环境阻力方面表现优越，在弹性、硬度、抗腐蚀、抗磨损和抗疲劳等方面也较为突出，最重要的是其能在人体内与皮质骨并存[21]。但PEEK自身强度不足也影响其成为关节假体的候选材料，为改善其力学性能，研究者合成碳纤维增强型PEEK(carbon fibers reinforced-PEEK，CFR-PEEK)复合材料，有更显著的机械力学性能和生物相容性，特别是其弹性模量与皮质骨相近，在口腔颌面整形外科及关节外科中得到广泛关注[22]。研究表明，在全髋关节置换术中CFR-PEEK可预期成为一种终身承载界面，在TMJ的动物研究中证实其有良好的生物容性及生物活性，能有效恢复关节功能[22-24]。同时，CFRPEEK具有天然的放射透射性，具有核磁共振的兼容性，可更好的显影，便于临床研究及应用[21]。CFRPEEK的诸多优势使其有望成为金属类植入材料的主要替代材料。

3.3 生物陶瓷和复合材料

生物陶瓷材料在国内较早被用于人工关节的研究，但考虑到其脆性和易破裂等问题，故单独陶瓷材料的临床应用可行性不大，多与其他材料制成复合材料进行临床研究[25]。复合材料没有生物陶瓷降解性差及易脆性等缺点，且具有比高分子材料更好的生物相容性和力学性能[26]。目前，正在实验研究中的复合材料包括羟基磷灰石与金属或惰性陶瓷的复合材料、纤维增强型高分子生物复合材料等。CFR-PEEK复合材料也是近年研究相对较多的复合材料之一。

目前，临床上应用最广泛的TMJ假体均由金属-超高分子聚乙烯组成。研究表明，此类TMJ假体的总体疗效令人满意[10-12]。用于制作人工TMJ的材料选择上虽已大致稳定，但仍存在诸多问题，当前临床上尚未出现完全理想的材料，仍需寻求更好的材料替代。

4 人工TMJ外科技术进展

4.1 手术入路

人工TMJ置换手术入路方式大致有耳廓前、下颌后、下颌下及下颌后腮腺下筋膜(retromandibular subparotideomasseteric fascial，RSF)入路等多种，各有其优缺点[27]。耳廓前入路主要对假体窝的安置有用。下颌后及下颌下是贯穿的，多用于髁突假体的植入。Ellis等[28]报道，下颌后入路相对耳廓前入路的优点，如面部瘢痕暴露更少，面部皮肤和髁突间的工作距离更短，更易手术复位和固定。但传统的下颌后及下颌下入路，均需切开颈阔肌，解剖浅筋膜及腮腺，可能损伤面神经及腮腺。有报道显示，近30%的病例中都有不同程度的面神经损伤[29]。RSF入路是下颌后入路的改良入路方式，两者均在耳垂下1cm处和下颌支后缘1 cm处切开，同样切开皮肤和浅筋膜，但RSF入路不切开颈阔肌，而是将其剥离至咬肌筋膜，然后切开腮腺咬肌筋膜，筋膜位于面神经颊支和下颌边缘支之间，然后解剖咬肌。因此包含面神经下颌缘支和颈支的组织不会暴露，面部动脉和下颌后静脉也不暴露，可更好避免面神经、血管损伤及涎瘘风险，并清楚暴露术区，但需临床医生解剖知识牢固[27]。临床上手术入路的选择需根据患者具体情况考虑，减少手术并发症。

4.2 人工TMJ的安装

临床上主要应用的人工TMJ包括标准型和个性化两种。安装个性化人工TMJ，需根据不同重建区域的需要选择手术入路显露关节区后，根据术前制作模型设计的截骨线进行髁状突截除及少量关节结节、关节窝外侧壁、颧弓及下颌升支外侧等的骨修整。安置关节窝部件，使其与骨性关节窝完全贴合后固定，颌间结扎后安放并固定人工髁突部件即可。双侧关节置换时，先完成两侧关节窝固定。

标准型人工TMJ的安装与个性化假体大同小异，差异在于其是一个不能修改的成形假体，需外科医生在术前为患者选择合适的假体型号并在术中进行更多的骨修整，以确保假体能顺利密合地安装到患者身上。

4.3 国内改进技术

国内研究者多年来在使用美国Biomet标准型人工TMJ过程中，骨修整的大小范围及深度方向等均取决于操作者经验，存在假体放置不当(如角度偏移等)和固位不稳等问题，且国人与欧美国家人种颞下颌关节差异大。针对上述问题，临床学者在积累经验中探索出一系列有效的改进技术：①加用数字化导板可减少磨骨的盲目性及颅底和相关神经的损伤[30]；②关节窝内植骨可加大TMJ假体的骨接触面积，有效提高假体安装的稳定性[31]；③上颌后切口皮下脂肪移植可防止第二术区的创伤，还可避免髁状突假体周围异位成骨。

5 展望

人工TMJ是国内外研究热点，我国人口基数大，对TMJ假体需求量更高，但TMJ假体的置换手术在国内尚处于实践阶段，应用较少。除价格昂贵且手术操作具有一定难度外，还主要有以下两方面原因：①国人的解剖形态结构与欧美人存在差异，国外标准型人工TMJ假体无法完全与中国人的TMJ形态和功能需要相匹配；②国外个体化人工TMJ虽然可与患者的解剖完全匹配，但其个体化人工TMJ产品比标准型产品更昂贵，术前耗时过长且国内尚未认证不能使用。因而寻求符合国人TMJ解剖及功能的标准型和个性化人工TMJ成为目前需要解决的重点难题。

何冬梅等[32]在应用美国标准型人工TMJ过程中，积累经验并自主研发了国人标准型和个性化人工TMJ。白果等[31]研究者利用计算机三维设计和机械加工技术制作国产化个性化人工TMJ假体，初步临床应用显示其效果稳定，长期疗效有待进一步观察。赵界云等[33]根据国人TMJ骨性结构特点，自主研发设计国人标准型人工TMJ置换系统，该系统将关节窝假体按深度分为3型，下颌部假体根据髁突与下颌支的角度差异分为4型。初步临床应用显示，其比美国Biomet标准型人工TMJ更符合国人TMJ解剖特点，具有去骨量更少、安装便利、手术时间短及创伤更小等特点，有一定应用前景。国内自发研制人工TMJ的初步临床应用，加快了国内人工TMJ的发展进程。随着相关学科的发展，人工TMJ的应用将会在治疗TMJ疾病中起到越来越重要的作用。