人工顳下頜關節設計、材料及外科技術研究進展

黃 丹 張躍蓉

顳下頜關節(temporomandibular joint，TMJ)作為口腔頜面部唯一可動關節，其解剖結構精細且運動功能復雜，具有左右聯動、轉動和滑動并存等特點，是人體最活躍的關節之一。TMJ是言語交流、咀嚼吞咽及表情運動時必不可少的關節，也是口腔頜面部的重要組成部分。由TMJ區腫瘤、關節強直、外傷和炎癥等疾病導致的關節形態缺陷、功能喪失和頜面部畸形，嚴重影響患者生活質量，破壞患者顏面部美觀，影響其心理健康甚至上升到社會衛生問題，對臨床上修復TMJ功能及形態提出要求。

臨床常采用TMJ重建術治療對保守治療無效的嚴重TMJ疾病，但TMJ結構及功能的復雜性使關節重建成為口腔外科醫生不斷探索研究的臨床難題。以往常采用自體骨移植重建術治療嚴重影響TMJ功能的疾病，如喙突、肋骨、鎖骨及腓骨等。但自體骨移植需開辟第二術區，增加患者手術創傷，并有一定概率發生手術并發癥(如氣胸及下肢活動障礙等)。此外，自體骨移植有吸收的風險，遠期效果存在不穩定性[1]。為尋求更好的TMJ修復方式，人工TMJ重建術應運而生，人工TMJ以其與正常關節解剖結構更相似、創傷小無需開辟第二術區、使用簡便及效果穩固等優點，逐漸替換自體骨重建TMJ，成為口腔頜面外科發展最快的修復方式之一[2]。在查閱大量相關文獻基礎上，綜述近年來人工TMJ在設計、材料及外科技術方面的研究。

1 人工TMJ

嚴重的TMJ疾病常給患者帶來極大的生理和心理負擔，為解決患者病痛，開始嘗試用異體關節即人工關節修復病變關節。異體TMJ重建首次報道于1840年，為治療TMJ強直患者，約翰·默里·卡諾坎在患者強直的TMJ上制造一個斷裂缺口，并在下頜骨殘余骨的原始骨表面間放置一個小木塊，開啟人工TMJ的探索之路[3]。

早期對人工TMJ重建術治療效果的資料顯示不足，無法判斷療效。此后為防止關節強直復發及改善關節運動方向限制等，研究者開始思考用不同異體材料代替關節不同功能結構。1946年，Eggers首先嘗試在人類頭骨和下頜骨間放置異體材料，為防止關節強直復發，在一位患有廣泛TMJ強直的4歲女孩的頭骨底部和下頜骨殘端放置鉭箔代替部分關節窩結構和功能，完成關節置換，后期由于關節吸收等問題而有待進一步研究，隨后又相繼出現一系列不同設計方式和不同植入材料的人工TMJ，但均因存在缺陷而未廣泛使用[4]。20世紀80年代后，TMJ的生理功能開始受到重視，不再簡單地模擬TMJ的形狀和機械運動。Sonnenburg等[5]認為假體無需與關節正常解剖結構完全一致，為人工TMJ的進一步研究開辟了新思路。經過半個世紀的發展和改進，目前臨床上使用的人工TMJ多為與天然髁突解剖形態不完全一致的非解剖式成品關節假體，并開始在歐美國家廣泛應用[6]。

2 人工TMJ設計進展

早期對人工TMJ置換的研究停留在部分關節假體置換，大致包括關節窩假體及髁狀突假體兩種。1957年，Smith和Robinson通過在顱骨和下頜骨間放置一塊彎曲的不銹鋼板替換關節窩，在髁突上創建一個虛擬的旋轉點，完成了關節窩假體置換；1976年，Spiessl采用與天然窩相連的球形髁突頭假體治療TMJ強直，假體通過5～7顆螺釘固定在下頜支上完成了髁突假體置換[4]。該時期，多數接受部分人工關節置換的患者病痛得到一定程度的緩解，但后期均存在嚴重的骨吸收問題，盡管關節窩及髁狀突假體在設計上持續改進，但骨吸收仍是TMJ部分置換無法避免的嚴重問題，未能進一步發展。

由于早期對TMJ結構和功能等特點研究不深，加之材料和工藝的局限性，人工TMJ的發展應用 并不可觀。1965年，Christensen在TMJ窩假體基礎上增加一個TMJ髁突假體，完成了全人工TMJ關節置換術，開啟了全人工TMJ的探索研究[4]。20世紀80年代后，隨著多學科快速發展，人工TMJ從部分結構置換向更加適應TMJ的全關節置換發展[7]。

全人工TMJ假體在設計上是一種類似于髖關節植入物的球窩式人工關節，包括下頜部假體和關節窩假體兩部分，通過螺釘固定于骨骼上[8]。下頜部假體多為整體結構，包括人工髁狀突和固位器。關節窩設計的不同之處在于假體與髁突的接觸面積和關節盤的使用，增加關節窩假體的覆蓋面積，可在一定程度上改善髁突的運動范圍[9-10]。關節盤具有改變關節運動方向、緩沖應力和保持平衡等重要功能，其重建格外重要，但仍是臨床研究難題。

近年來，計算機輔助設計和計算機輔助制造技術應用于人工TMJ設計，利用該技術設計個體化TMJ關節假體使其得以發展應用，更滿足個體差異的關節解剖結構需要[11]。目前，臨床上應用的人工TMJ產品類型有兩種，一種是美國Biomet公司的標準型人工TMJ，另一種是由TMJ Concepts公司根據患者骨骼形狀定制的個性化人工TMJ。Leandro等[12]及Wolford等[2]分別在2013年和2015年報道上述兩種產品的臨床效果，實踐證明其可明顯改善患者張開度，減輕關節區疼痛，是一種安全有效的關節重建方法并在臨床上廣泛應用。但標準型人工TMJ很難植入嚴重TMJ紊亂患者體內，個性化人工TMJ又存在價格昂貴等問題，為改善上述問題并優化假體機械性能和磨損特性，最初作為實驗室備選設計的一種新關節假體得以研究應用，即格羅寧根(Groningen)TMJ假體。

格羅寧根TMJ假體是指在假體部分的鋯表面和髁突的鋯球間插入一個超高分子量聚乙烯圓盤，研究證明，其治療嚴重TMJ疾病患者，在改善關節疼痛、張口度等方面具有一定療效[13]。但格羅寧根TMJ假體尚未上市，制造商評估其財務風險高于盈利機會，故決定不將假體推向市場，臨床上可用的TMJ假體系統仍是Biomet和TMJ Concepts系統，但二者磨損特性并不優越。髁突在關節窩內正確的生理位置及關節盤的修復仍是人工TMJ設計的研究重點，設計方向開始逐漸細化。

3 人工TMJ材料進展

TMJ解剖結構精細復雜且運動功能繁瑣多樣，造成假體各部分功能要求存在差異，對材料性能的要求也各有不同。人工TMJ材料的發展經歷眾多試探，包括金屬材料(箔、不銹鋼、鈷鉻合金和鈦合金等)、高分子材料(聚氟乙烯、聚乙烯和超高分子量聚乙烯等)、生物陶瓷和復合材料等。TMJ假體也由早期的金屬-金屬對接，到逐漸被高分子量材料-金屬所替代[14]。

3.1 金屬材料

早期受技術和認知水平限制，假體材料選擇受局限性強。20世紀30年代，Wiles采用不銹鋼制作的股骨頭及髖臼為Still患者置換髖關節，拉開了金屬材料在假體植入物中應用的序幕，但最終以假體破裂失敗告終[15]。受大臨床假體材料啟發，TMJ假體相繼嘗試了箔和不銹鋼等金屬材料，但均因其易磨損、電化學腐蝕性和應力遮擋等嚴重問題相繼被淘汰。直到鈷鉻合金(Co-Cr合金)以其優良的耐磨性、耐蝕性和低缺口敏感性，成為人工髁突假體的理想材料。但研究發現，長期植入人體的Co-Cr合金會分解出金屬離子，具有潛在的細胞毒性及致癌性，臨床上應謹慎使用[16]。近年來，鈦合金植入體運用廣泛，與Co-Cr合金相比其生物相容性更佳，且計算機輔助技術的發展增強了鈦合金的力學性能。張慶福等[17]研究鈦合金的個性化下頜骨種植體，結果顯示其具有良好的力學性能，臨床療效滿意。

Co-Cr合金和鈦合金現多用于人工TMJ下頜部假體制作。近年來，鈦等金屬植入體被證實存在各種問題，鈦合金材料的高彈性模量導致其作為植入材料會形成應力遮擋，進一步造成骨質吸收[18]。Silva等[19]在鈦合金及聚乙烯假體表面涂布一層類金剛石碳(diamond-like carbon，DLC)薄膜，初步研究可改善鈦合金和聚乙烯假體的化學和力學性能。DLC薄膜是一種具有類金剛石特性的硬質膜，且具有高耐磨性、低摩擦系數及殺菌性等多種優點，但其初期生物相容性較鈦合金和聚乙烯稍差，有待進一步改進薄膜沉積的參數，成為優化人工關節假體的新材料。

3.2 高分子材料

高分子材料在人工TMJ的應用較金屬材料晚，經歷聚氟乙烯和聚乙烯后，超高分子量聚乙烯因其耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐應力遮擋和生物相容性等優良性能，在人工TMJ材料選擇中脫穎而出，目前多用于關節窩假體的材料。但長時間觀察發現其后期磨損明顯，且會產生細小顆粒導致人工TMJ松脫[15]。故提高超高分子量聚乙烯的長期耐磨性，并使其耐磨性與其余優良性能兼顧成為有待解決的問題[20]。

聚醚醚酮(poly ether ether ketone，PEEK)作為一種新型高分子聚合物材料正被研究應用于人工TMJ假體中。PEEK是一種半晶型芳香族熱塑性工程塑料，不僅在機械性能、熱穩定性和環境阻力方面表現優越，在彈性、硬度、抗腐蝕、抗磨損和抗疲勞等方面也較為突出，最重要的是其能在人體內與皮質骨并存[21]。但PEEK自身強度不足也影響其成為關節假體的候選材料，為改善其力學性能，研究者合成碳纖維增強型PEEK(carbon fibers reinforced-PEEK，CFR-PEEK)復合材料，有更顯著的機械力學性能和生物相容性，特別是其彈性模量與皮質骨相近，在口腔頜面整形外科及關節外科中得到廣泛關注[22]。研究表明，在全髖關節置換術中CFR-PEEK可預期成為一種終身承載界面，在TMJ的動物研究中證實其有良好的生物容性及生物活性，能有效恢復關節功能[22-24]。同時，CFRPEEK具有天然的放射透射性，具有核磁共振的兼容性，可更好的顯影，便于臨床研究及應用[21]。CFRPEEK的諸多優勢使其有望成為金屬類植入材料的主要替代材料。

3.3 生物陶瓷和復合材料

生物陶瓷材料在國內較早被用于人工關節的研究，但考慮到其脆性和易破裂等問題，故單獨陶瓷材料的臨床應用可行性不大，多與其他材料制成復合材料進行臨床研究[25]。復合材料沒有生物陶瓷降解性差及易脆性等缺點，且具有比高分子材料更好的生物相容性和力學性能[26]。目前，正在實驗研究中的復合材料包括羥基磷灰石與金屬或惰性陶瓷的復合材料、纖維增強型高分子生物復合材料等。CFR-PEEK復合材料也是近年研究相對較多的復合材料之一。

目前，臨床上應用最廣泛的TMJ假體均由金屬-超高分子聚乙烯組成。研究表明，此類TMJ假體的總體療效令人滿意[10-12]。用于制作人工TMJ的材料選擇上雖已大致穩定，但仍存在諸多問題，當前臨床上尚未出現完全理想的材料，仍需尋求更好的材料替代。

4 人工TMJ外科技術進展

4.1 手術入路

人工TMJ置換手術入路方式大致有耳廓前、下頜后、下頜下及下頜后腮腺下筋膜(retromandibular subparotideomasseteric fascial，RSF)入路等多種，各有其優缺點[27]。耳廓前入路主要對假體窩的安置有用。下頜后及下頜下是貫穿的，多用于髁突假體的植入。Ellis等[28]報道，下頜后入路相對耳廓前入路的優點，如面部瘢痕暴露更少，面部皮膚和髁突間的工作距離更短，更易手術復位和固定。但傳統的下頜后及下頜下入路，均需切開頸闊肌，解剖淺筋膜及腮腺，可能損傷面神經及腮腺。有報道顯示，近30%的病例中都有不同程度的面神經損傷[29]。RSF入路是下頜后入路的改良入路方式，兩者均在耳垂下1cm處和下頜支后緣1 cm處切開，同樣切開皮膚和淺筋膜，但RSF入路不切開頸闊肌，而是將其剝離至咬肌筋膜，然后切開腮腺咬肌筋膜，筋膜位于面神經頰支和下頜邊緣支之間，然后解剖咬肌。因此包含面神經下頜緣支和頸支的組織不會暴露，面部動脈和下頜后靜脈也不暴露，可更好避免面神經、血管損傷及涎瘺風險，并清楚暴露術區，但需臨床醫生解剖知識牢固[27]。臨床上手術入路的選擇需根據患者具體情況考慮，減少手術并發癥。

4.2 人工TMJ的安裝

臨床上主要應用的人工TMJ包括標準型和個性化兩種。安裝個性化人工TMJ，需根據不同重建區域的需要選擇手術入路顯露關節區后，根據術前制作模型設計的截骨線進行髁狀突截除及少量關節結節、關節窩外側壁、顴弓及下頜升支外側等的骨修整。安置關節窩部件，使其與骨性關節窩完全貼合后固定，頜間結扎后安放并固定人工髁突部件即可。雙側關節置換時，先完成兩側關節窩固定。

標準型人工TMJ的安裝與個性化假體大同小異，差異在于其是一個不能修改的成形假體，需外科醫生在術前為患者選擇合適的假體型號并在術中進行更多的骨修整，以確保假體能順利密合地安裝到患者身上。

4.3 國內改進技術

國內研究者多年來在使用美國Biomet標準型人工TMJ過程中，骨修整的大小范圍及深度方向等均取決于操作者經驗，存在假體放置不當(如角度偏移等)和固位不穩等問題，且國人與歐美國家人種顳下頜關節差異大。針對上述問題，臨床學者在積累經驗中探索出一系列有效的改進技術：①加用數字化導板可減少磨骨的盲目性及顱底和相關神經的損傷[30]；②關節窩內植骨可加大TMJ假體的骨接觸面積，有效提高假體安裝的穩定性[31]；③上頜后切口皮下脂肪移植可防止第二術區的創傷，還可避免髁狀突假體周圍異位成骨。

5 展望

人工TMJ是國內外研究熱點，我國人口基數大，對TMJ假體需求量更高，但TMJ假體的置換手術在國內尚處于實踐階段，應用較少。除價格昂貴且手術操作具有一定難度外，還主要有以下兩方面原因：①國人的解剖形態結構與歐美人存在差異，國外標準型人工TMJ假體無法完全與中國人的TMJ形態和功能需要相匹配；②國外個體化人工TMJ雖然可與患者的解剖完全匹配，但其個體化人工TMJ產品比標準型產品更昂貴，術前耗時過長且國內尚未認證不能使用。因而尋求符合國人TMJ解剖及功能的標準型和個性化人工TMJ成為目前需要解決的重點難題。

何冬梅等[32]在應用美國標準型人工TMJ過程中，積累經驗并自主研發了國人標準型和個性化人工TMJ。白果等[31]研究者利用計算機三維設計和機械加工技術制作國產化個性化人工TMJ假體，初步臨床應用顯示其效果穩定，長期療效有待進一步觀察。趙界云等[33]根據國人TMJ骨性結構特點，自主研發設計國人標準型人工TMJ置換系統，該系統將關節窩假體按深度分為3型，下頜部假體根據髁突與下頜支的角度差異分為4型。初步臨床應用顯示，其比美國Biomet標準型人工TMJ更符合國人TMJ解剖特點，具有去骨量更少、安裝便利、手術時間短及創傷更小等特點，有一定應用前景。國內自發研制人工TMJ的初步臨床應用，加快了國內人工TMJ的發展進程。隨著相關學科的發展，人工TMJ的應用將會在治療TMJ疾病中起到越來越重要的作用。