功能载荷下牙移动测量方法的研究进展

赵喆 王富 郑秀丽 安娜 陈吉华

军事口腔医学国家重点实验室 口腔疾病国家临床医学研究中心 陕西省口腔医学重点实验室空军军医大学口腔医院修复科 西安 710032

功能载荷下的牙移动，是指咀嚼过程中牙齿在牙槽窝内发生生理性移动的现象。功能载荷下的牙移动是口腔内存在的一种基本生理现象，对于分散和传递咬合力、减少牙齿周围组织损害、减少牙齿磨耗、防止牙体组织折裂以及防止食物嵌塞等起着重要作用。了解功能过程中牙齿活动的正常范围及其对不同载荷的响应是评估异常移动和作出有效临床决策的基础。虽然牙移动的相关研究已经持续了数十年，但受到口内环境和测量仪器的影响，对咀嚼状态下牙齿移动过程的研究尚未得出令人满意的答案。本文将对相关研究进展做以介绍。

1 功能载荷下牙移动的生理基础

功能载荷下的牙齿移动取决于力的大小、力点、牙根形态和周围组织的健康状况[1]。牙齿—牙周膜—牙槽骨作为一个复合体以协同的方式起到分散咀嚼力的作用。在复合体中，不同组织具有不同的刚性，牙周膜的弹性模量在几十到数百Mpa之间，釉牙本质界下200～300μm厚的软区牙本质为3～10 GPa，牙骨质—牙本质界面为2～4 GPa，牙骨质为3～15 GPa，骨组织和管间牙本质为10～20 GPa，管周牙本质约为30 GPa，釉质为75～100 GPa[2]。不同刚性的组织在压缩载荷下表现出不同程度的形变，形变大小遵循多个弹簧串联的原则。其中，未矿化的牙周膜刚性最小，因此最初的变形远大于其他组织，在低负荷诱导下的牙移动中起着决定性作用。随着载荷的增大，当牙周膜被压缩到一定程度后形变几乎不再增加，此时牙体组织和颌骨的形变继续增大。这种功能载荷下的压缩机制不仅保证了大部分咬合力能够被牙周膜吸收和缓冲掉，也保证了牙周膜的形变被控制在生理范围内，避免了因为过度压缩而导致的牙周膜损伤。牙周膜对不同荷载的反应主要与两个系统有关。牙周膜通过胶原纤维将天然牙固定于牙槽骨中从而组成了牙周膜的弹性系统[3]。牙周膜中的血管和细胞外基质等成分构成了牙周膜的流体相系统[4]。在2个系统的协同作用下，咬合过程中牙齿在咬合力作用下发生一定范围内的生理性移动，在去除咬合力后则会以非线性[5]的速度恢复至初始位置。

2 功能载荷下牙移动的影响因素

牙移动的本质是物体在力的作用下产生运动，牙齿与牙周膜和牙槽骨作为受力整体共同承担力的作用。在力的作用下牙齿与牙槽骨几乎不发生形变，牙周膜则通过形变吸收大部分能量，从而降低了力对牙齿的移动能力[6]。因此，功能载荷下的牙移动主要受到力的大小、咬合接触点和牙周膜这3个方面的影响。

2.1 力的大小

Ben-Zvi等[7]模仿生理载荷大小，对迷你猪第一磨牙施加0～120 N范围内的外力，观察发现随着力的增大，牙齿的移动量也随之增加，根据实验结果绘制力、位移关系图能够得到平滑的力—位移曲线。这一发现与多位学者的研究结果一致，互为印证[1,8-9]。

2.2 咬合接触位置

作用点是影响牙齿移动的又一关键因素，对于牙齿而言作用点即为咬合接触点。在Ishihara[10]的研究中，将金箔贴于牙面以此来获得不同的咬合接触，测量咬合接触改变前后的牙齿位移路径，结果表明不同咬合接触下，上颌第一磨牙的移动方向和距离均发生改变。

2.3 牙周膜的性质与几何形状

牙周膜几何形状小范围的变化会导致牙齿移动的强烈变化以及牙周膜应变和骨应力改变[11]，在牙齿移动测量及三维有限元分析模拟中牙周膜的性质和形变特征是决定模型准确与否的关键因素[1-2,4]。

2.4 其他因素

其他因素如年龄、性别、测量时间、体位等也对牙移动的距离和方向具有一定的影响。随着年龄的增长，矿化组织的积累或胶原纤维的萎缩会导致牙周间隙逐渐缩小[12]，牙周膜变形能力降低。此外，随着年龄增长，咀嚼力大小也将发生改变。年龄因素通过这种间接作用影响着功能载荷下的牙齿移动。

3 功能载荷下牙移动的测量

牙齿移动的量化测量一直是个难点。在长达数十年的研究中，学者们对功能载荷下牙移动进行了一系列的研究，测量方法不断优化。尤其是近年来数字化技术的不断发展，为功能载荷下牙移动的测量研究开辟了新的方向[13-14]。

在Picton[15]的试验中，通过比较近远中邻牙上测量仪的指针读数，来判断牙齿是否存在近远中向的倾斜。Behrend[16]设计出能够测量牙齿移动距离的装置，在研究中对左上颌尖牙在垂直向和颊舌向的移动进行了二维方向上的测量，结果显示，在19.6～29.4 N咬合力作用下牙齿位移最大值约为60μm。Siebert[17]通过使用非接触式的位移传感器，成功地获得了自然牙列和含有修复体的牙列在咬合至牙尖交错位时的三维方向上的牙齿移动大小和方向。虽然该研究可以获得牙齿的三维移动数据，但由于试验采用的非接触式传感器必须固定于咬合夹板中，安装较为繁琐，因此并不适合大样本量的数据采集。且由于传感器分辨率较低，所得的数据精确度有限。Parfitt[18]的研究解决了这一问题，他们使用直线式传感器对牙移动进行测量，通过电压的线性变化来反应对应的牙齿位移量。这种传感器精确度和灵敏度较高，能够分辨0.001 mm的轴向运动。研究记录了中切牙在不同大小力的作用下的位移量：0.098 N力作用下的平均位移量为0.012 mm；0.98 N力作用下为0.02 mm；9.8 N力作用下0.028 mm。该装置不仅可以精确地记录牙齿移动量的大小，而且能够记录牙齿移动与时间的关系。Ishihara[10]利用三维微位移计对咬合状态下第一磨牙的移动方向和移动量进行测量。可以在三维方向、3个自由度下测量磨牙与前牙的相对位移。Salamati等[19]将超声晶体植入到乳猪的上乳磨牙髓室内，将其参照点黏附在颊、腭侧牙槽骨板；在牙槽嵴的颊侧和腭侧固定应变片；并在腭侧牙槽骨内插入面向牙周间隙的压力换能器。通过以上3组装置，在自由进食和咬肌刺激的过程中同时记录牙齿活动、牙槽弯曲和液体压力。

数字化技术也逐渐被应用于牙移动的测量。Boldt等[20]以微型发光二极管作为光源，用CCD芯片捕捉光斑变化并将数据通过采集卡进行数字化最终输出为牙齿位移数据。也有学者通过计算机对实验中难以观察到的生物力学响应和应力分布变化进行了模拟。Yomoda等[21]将测量所得的咀嚼过程中的咬合状况、下颌运动规律、食块（口香糖）物理学特征作为输入数据，利用有限元非线性动力学分析方法模拟了咀嚼过程中下颌第一磨牙的位移模式和食块破裂模式。但是利用有限元方法也有其局限性，其有效性取决于几何表达的精度以及对应材料特性的精确度和准确性，牙骨质、牙本质、牙周膜等生物组织的各向异性、黏弹性等差异均会造成模拟与实际之间的差距[22]。Karimi等[23]的实验中，分别使用了弹塑性、超弹性和黏弹性3种材料模型来模拟牙周膜，结果表明与弹塑性和超弹性模型相比，黏弹性牙周膜模型导致松质骨中的应力降低。因此，利用有限元来模拟真实的牙齿状态还需要更多的临床试验数据作为支持。

除了单个牙齿的移动，牙齿的相对移动对于了解咀嚼过程中的牙齿状态同样重要。Kasahara[24]在其研究中对咬合状态下的邻面间隙大小进行了测量，根据光强分布确定相应的间隙大小。结果表明相邻牙齿在静止状态下的距离为3～21μm，在咬合过程中该距离消失。这一结论证实了相邻两牙之间存在间隙且间隙大小会随着咬合过程中牙齿移动而发生变化。李琳琳等[25]利用数字化设备设计出了更加简单便捷的测量方法。通过口腔扫描的方式采集患者牙列数据，分析咬合前后邻面间隙的变化量和牙齿偏转角度。虽然口腔扫描仪的精度限制[26]和软件拟合误差导致测量值存在一定误差，但这一方法相较于复杂的传感器设备，具有良好的临床可操作性，为牙移动的测量提供了一种全新的思路。

4 功能载荷下牙移动的意义

牙齿移动是咀嚼过程中的固有特征，也是一种内在的保护和适应性反应。牙齿通过移动将咬合力分散到整个牙列及支持组织，维持了整个牙弓的受力平衡，降低了应力集中，最大限度地减少了不可逆性损害发生的概率[2]。同时，牙齿通过移动将咬合力传递给牙周膜，缓冲了大部分的咬合力，避免了牙齿硬组织和颌骨的损伤[3]。

正畸牙移动指的是长期恒定正畸力作用下牙齿的永久性的移位过程[27-28]。正畸牙移动与功能载荷下的牙移动是两种截然不同的移动模式[29]。但在正畸的初始阶段，即施力后的24～48 h内[30]，牙齿在牙槽窝内有一段快速移位的过程。此时的正畸牙移动与功能载荷作用下的牙移动一样，都可以看作是由牙周膜受力形变而引起的牙齿移动。正畸骨重塑的启动同样涉及到功能载荷下的牙移动。Cattaneo等[31]认为，单纯正畸力为静态力，无法启动骨重塑的过程，他提出正畸牙移动的启动是正畸力和咀嚼力的相互作用下的结果。因此，虽然功能载荷下的牙移动与正畸牙移动无论在力的特点还是在移动原理上均存在着巨大差别，但二者之间却存在着一定程度的相关性。

与天然牙相比种植体与牙槽骨的结合为刚性结合，缺乏牙周膜作为中间相。这导致种植体无法像天然牙一样，具有生理性的牙移动。研究[32]表明，天然牙在功能载荷下水平方向可观测到56～108μm的动度，而种植义齿仅为10～50μm。这种动度的差异导致种植义齿在咀嚼状态下无法与邻牙保持一致性移动，增加了种植义齿与邻牙间出现食物嵌塞的概率。此外相同的载荷作用下，种植体与天然牙组相比，牙槽骨所受应力和应变更大[33]。这提示，临床医师在种植义齿的咬合接触调整与卫生维护等方面均需考虑移动特征的差异性。

功能载荷下的牙移动异常与食物嵌塞的发生也存在一定的关系。牙齿的生理性活动在将力传递给邻牙的过程中必然导致两个牙面之间的相互接触，牙齿的这种滑动运动不断改变着牙齿近端接触形态。当近端接触在咀嚼过程中足够强时，将能够抵抗分离作用力从而防止了食物嵌塞的发生[34]。一旦近端接触异常无法抵抗分离作用力，食物嵌塞现象即会出现[35]。此外，还有学者[36]认为牙齿在功能载荷下的移位不同步会引起咬合状态邻接区间隙增大从而导致食物嵌塞的发生。由此可见，功能载荷下牙齿的异常移动可能是造成食物嵌塞发生的间接或直接原因。

牙周组织的状态是功能载荷下牙移动的重要影响因素，因此当牙周组织发生病变时牙齿将表现出异常的活动度。Sinescu等[6]认为，牙周疾病将导致牙齿—牙周膜—牙槽骨系统病理性改变，这些改变会导致牙齿活动性的变化。随着牙周疾病的进展，牙槽骨的吸收将导致牙齿—牙周膜—牙槽骨复合体的进一步破坏，在临床上则表现为牙松动度的不断增加。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。