南医大口腔严斌教授团队发表牙周膜生物力学研究成果

南医大口腔严斌教授团队发表牙周膜生物力学研究成果

近日，南京医科大学附属口腔医院 · 江苏省口腔疾病研究重点实验室严斌教授团队联合南京林业大学吴斌教授团队，在《生物材料学报》（Acta Biomaterialia） 发表题为“了解人牙周膜胶原纤维的层次结构：对生物力学特征的影响（Understanding the hierarchical structure of collagen fibers of the human periodontal ligament: Implications for biomechanical characteristics）”的研究论文。该研究通过医工交叉合作，揭示了人牙周膜胶原纤维在不同尺度和区域的结构-成分特异性对其力学性能的重要影响。



牙周膜是一种独特的纤维结缔组织，在维持牙周稳态中发挥着重要作用，其生物力学特性与多尺度、非均质的胶原纤维网络结构密切相关。前牙在正畸治疗和食物切割中扮演着关键角色，但目前对于牙周膜胶原纤维的空间排列及其与力学性能的关联性研究尚不充分，这限制了我们对人牙周膜生物力学特性的深入理解。
本研究以人上颌前牙为研究对象，采用多尺度实验方法表征了人牙周膜胶原纤维网络结构、成分及拉伸特性，创新地从宏观、介观和微观多个尺度揭示了人上颌前牙根颈部、根中部及根尖部独特的结构-力学构效关系，加深了对牙周膜生物力学特性的理解，为牙周膜微观尺度的仿真分析和仿生材料的研发提供了重要的理论和实验依据。



研究摘要图

研究发现，根中部牙周膜表现出更大的断裂强度，也具有更高的纤维含量；相比之下，根尖部牙周膜虽然具有较高的矿物基质比和不同的胶原二级结构，但断裂强度却相对较低，这可能与其较低的胶原纤维含量有关。而根颈部的牙周膜胶原纤维含量处于中等水平，其断裂强度也低于根中部。此外，不同区域的牙周膜样本在不同受力方向上的拉伸性能差异，表明纤维方向和牙根层面在介观尺度上对牙周膜力学性能的重要影响。在微观尺度上，连续切片的三维重建图像展示了牙周膜胶原纤维束的空间排列，结合天狼猩红染色偏振光观察，揭示了胶原纤维的交织及纤维间的微孔共同构成的胶原纤维束结构。微孔隙和胶原蛋白二级结构在上颌前牙牙根不同层面的变化，体现了牙周膜在抵抗外力、保持功能完整性的适应机制。



牙周膜胶原纤维网络的多尺度结构

通过Masson染色和天狼猩红染色观察牙周膜胶原纤维束的排列形态，基于连续切片重建再现牙周膜纤维束三维结构，展示胶原纤维间“渔网状”孔洞结构。这一结构在偏振光显微镜及受拉力形变样本的扫描电镜观察中得到验证。