Analysis of the Mechanism of Lubrication of the Temporomandibular Joint

• Autorzy: Ryniewicz Anna Maria , Ryniewicz Andrzej

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.0852

Warianty tytułu

PL

Analiza mechanizmu smarowania stawu skroniowo-żuchwowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the work is to identify the lubrication conditions of the correct temporomandibular joint (TMJ) based on spatial modeling of joint structures, load simulations, reduced stresses, and resultant deformations in correlation with rheological parameters of synovial fluid. The material used in this study is the results of normal joint imaging performed using a standardized technique under occlusal conditions. Modeling and the simulation of contact, after the introduction of strength parameters of hard tissues, fibrous cartilage, and synovial fluid and the imposition of boundary conditions was carried out in the following program: Femap NE Nastran. Spatial simulation of contact between joint structures, virtual loading, and the visualization of what happens in the joint allows one to identify these structures in terms of tribology and strength. The transfer of loads in TMJ results from the geometric form of the supporting bone structures and joint surfaces, the distribution of the cartilage tissue building these surfaces, the geometry of the disc, and rheological parameters of the joint synovial fluid. In normal and loaded TMJ, differential displacement occurs in the joint cavity and cartilage structures, which stimulates the lubrication mechanism and optimize the use of synovial fluid properties. The joints are characterized by the absorption of maximum stresses reduced by bone structures. Load compensation and suspension is achieved by cartilage covering the joint surfaces and, to a large extent, by the joint disc and elastic-viscous response of a synovial fluid.

PL

Celem pracy jest identyfikacja warunków smarowania prawidłowego SSŻ na podstawie przestrzennego modelowania struktur stawowych, symulacji obciążeń, naprężeń zredukowanych i odkształceń wypadkowych w korelacji z parametrami reologicznymi cieczy synowialnej. Materiałem badań są wyniki obrazowania stawów prawidłowych wykonane w standaryzowanej technice w warunkach okluzji. Modelowanie i symulacje kontaktu, po wprowadzeniu parametrów wytrzymałościowych tkanek twardych, chrząstki włóknistej i cieczy synowialnej oraz nałożeniu warunków brzegowych, zrealizowano w programie Femap NE Nastran. Przestrzenna symulacja kontaktu struktur stawowych, wirtualne obciążanie i wizualizacja tego, co następuje w stawie, pozwala identyfikować te struktury w aspekcie tribologicznym i wytrzymałościowym. Przeniesienie obciążeń w SSŻ wynika z formy geometrycznej oporowych struktur kostnych i powierzchni stawowych, z rozkładu tkanki chrzęstnej budującej te powierzchnie, geometrii krążka oraz parametrów reologicznych mazi stawowej. W prawidłowym i obciążonym SSŻ pojawiają się w jamie stawowej oraz w strukturach chrzęstnych zróżnicowane przemieszczenia wypadkowe, które stymulują mechanizm smarowania i optymalizują wykorzystanie właściwości płynu synowialnego. Dla stawów charakterystyczne jest przejmowanie maksymalnych naprężeń zredukowanych przez struktury kostne. Kompensacja obciążenia i jego amortyzacja realizowana jest poprzez chrząstkę pokrywającą powierzchnie stawowe oraz w znacznym stopniu przez krążek stawowy i odpowiedź sprężysto-lepką cieczy synowialnej.

Słowa kluczowe

EN

CT and MRI model; modeling; MES simulations; biorheology; tribology; TMJ

PL

model CT i MR; modelowanie; symulacje MES; bioreologia; tribologia; SSŻ

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2020
• Tom: nr 1
• Strony: 63--73
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys.

Twórcy

autor

Ryniewicz Anna Maria

• Jagiellonian University Medical College, Faculty of Medicine, Dental Institute, Department of Dental Prosthodontics, Montelupich 4 Street, 31-155 Cracow, Poland.

autor

Ryniewicz Andrzej

• State University of Applied Science, Institute of Technology, Zamenhofa 1a Street, 33-300 Nowy Sącz, Poland.

Bibliografia

• 1. Lippert H., Anatomy. Volume 2. Wrocław: Medical Publisher Urban & Partner, 1998.
• 2. Ikeda R., Ikeda K.: Directional characteristics of incipient temporomandibular joint disc displacements: A magnetic resonance imaging study. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, 149, 1(2016), pp. 39–45.
• 3. Tappert L., Baldit A., Laurent C., Ferrari M., Lipinski P.: Acquisition of accurate temporomandibular joint discexternal shape and internal microstructure. In 8th World Congress of Biomechanics, 2018.
• 4. Segù M., Manfredini D.: Temporomandibular Joint Disorders in the Elderly. In Oral Rehabilitation for Compromised and Elderly Patients. Springer, Cham., 2019, pp. 63–79.
• 5. Moreno-Hay I., Okeson, J. P.: Single event versus recurrent luxation of the temporomandibular joint. The Journalof the American Dental Association, 150, 3(2019), pp. 225–229.
• 6. Tu K. H., Chuang H. J., Lai L. A., Hsiao M. Y.: Ultrasound imaging for temporomandibular joint disc anteriordisplacement. Journal of medical ultrasound, 26, 2(2018), p. 109.
• 7. Roberts W. E., Stocum D. L.: Part II: Temporomandibular joint (TMJ) – Regeneration, degeneration, andadaptation. Current Osteoporosis Reports, 16, 4(2018), pp. 369–379.
• 8. Wei F.: Behavioral, Functional, and Shape Assessment for Temporomandibular Joint, 2018.
• 9. Balenton N., Khakshooy A., Chiappelli F.: Lubricin: Toward a Molecular Mechanism for TemporomandibularJoint Disorders. In Temporomandibular Joint and Airway Disorders. Springer, Cham, 2018, pp. 61–70.
• 10. McMillan B.: Wielki Atlas Anatomii Człowieka. Grupa Wydawnicza Foksal, 2013.
• 11. Barenholz Y., Nitzan D., Etsion I., Schroeder A., Halperin G., Sivan S.: U.S. Patent No. 8,895,054. Washington,DC: U.S. Patent and Trademark Office, 2014.
• 12. de Moura Silva A., de Figueiredo V.M.G., do Prado R.F., de Fátima Santanta-Melo G., Ankha M.D.V.E.A., deVasconcellos L.M.R., da Silva Sobrinho A.S., Junior L.N.: Diamond-like carbon films over reconstructive TMJ prosthetic materials: Effects in the cytotoxicity, chemical and mechanical properties. Journal of oral biology andcraniofacial research, 9, 3(2019), pp. 201–207.
• 13. Olsen-Bergem H., Kristoffersen A.K., Bjørnland T., Reseland J.E., Aas J.A.: Juvenile idiopathic arthritisand rheumatoid arthritis: bacterial diversity in temporomandibular joint synovial fluid in comparison with immunological and clinical findings. International journal of oral and maxillofacial surgery, 45, 3(2016), 318-322.
• 14. Alstergren P.: Rheumatoid Arthritis with Temporomandibular Joint Involvement. In Clinical Cases in Orofacia lPain. Wiley, 2017.
• 15. Ryniewicz A. M.: Identification, modelling and biotribology of human joints. AGH University of Science and Technology Press, 2011.
• 16. Ryniewicz A. M., Analiza mechanizmu smarowania stawu biodrowego człowieka. Monografia nr 111, UWNDAGH, Kraków 2002.
• 17. Ryniewicz A. M., Ryniewicz A.: Analiza mechanizmu smarowania stawów człowieka w badaniach in vitro oraz invivo. Przegląd elektrotechniczny, 90, 5(2014), pp. 142–145.
• 18. Slavicek R.: The masticatory organ: functions and dysfunctions. GAMMA Medizinisch-wissenschaftliche Fortbildung-AG, 2002.
• 19. Majewski S.W.: Gnatofizjologia stomatologiczna: normy okluzji i funkcje układu stomatognatycznego.Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2018.
• 20. Al-Saleh M.A., Alsufyani N.A., Saltaji H., Jaremko J.L., Major P.W.: MRI and CBCT image registration of temporomandibular joint: a systematic review. Journal of Otolaryngology-Head & Neck Surgery, 45, 1(2016),p. 30.
• 21. Shaik S., Parker M.E.: The assessment of osseous changes in the temporomandibular joint using Cone BeamComputed Tomography. South African Dental Journal, 73, 4(2018), pp. 259–261.
• 22. Balatgek T.L., Demerjian G.G., Sims A.B., Patel M.: CBCT and MRI of Temporomandibular Joint Disorders and Related Structures. In Temporomandibular Joint and Airway Disorders, Springer, Cham, 2018, pp. 201–218.
• 23. Ibi M.: Inflammation and Temporomandibular Joint Derangement. Biological and Pharmaceutical Bulletin, 42, 4(2019), pp. 538–542.
• 24. Liu Z., Qian Y., Zhang Y., Fan Y.: Effects of several temporomandibular disorders on the stress distributions of temporomandibular joint: a finite element analysis. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering, 19, 2(2016), pp. 137–143.
• 25. Shu J.H., Yao J., Zhang Y.L., Chong D.Y., Liu Z.: The influence of bilateral sagittal split ramus osteotomy on the stress distributions in the temporomandibular joints of the patients with facial asymmetry under symmetric occlusions. Medicine, 97, 25(2018), e11204.
• 26. Ferreira F.M., Cézar Simamoto-Júnior P., Soares C.J., Ramos A.M.D.A.M., Fernandes-Neto A.J.: Effect of Occlusal Splints on the Stress Distribution on the Temporomandibular Joint Disc. Brazilian dental journal, 28, 3(2017), pp. 324–329.
• 27. Sahoo P., Das S.K., Davim J.P.: Tribology of materials for biomedical applications. In Mechanical Behaviour of Biomaterials. Woodhead Publishing, 2019, pp. 1–45.
• 28. Wolford L.M., Mercuri L.G., Schneiderman E.D., Movahed R., Allen W.: Twenty-year follow-up study on a patient-fitted temporomandibular joint prosthesis: the Techmedica/TMJ Concepts device. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, 73, 5(2015), pp. 952–960.
• 29. Mercuri L.G.: Temporomandibular joint total joint replacement – TMJ TJR. Switzerland: Springer Int Pub, 2016.
• 30. Kerwell S., Alfaro M., Pourzal R., Lundberg H.J., Liao Y., Sukotjo C., Mercuri L.G., Mathew M.T.: Examination of failed retrieved temporomandibular joint (TMJ) implants. Acta biomaterialia, 32, 1(2016), pp. 324–335.
• 31. Ackland D.C., Robinson D., Redhead M., Lee P.V.S., Moskaljuk A., Dimitroulis G.: A personalized 3D-printed prosthetic joint replacement for the human temporomandibular joint: From implant design to implantation. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 69(2017), pp. 404–411.
• 32. Villanueva J., Trino L., Thomas J., Bijukumar D., Royhman D., Stack M.M., Mathew M.T.: Corrosion, tribology, and tribocorrosion research in biomedical implants: progressive trend in the published literature. Journal of Bio- andTribo-Corrosion, 3, 1(2017), p. 1.
• 33. Bayer I.: Advances in tribology of lubricin and lubricin-like synthetic polymer nanostructures. Lubricants, 6,2(2018), p. 30.
• 34. Mumme M., Barbero A., Miot S., Wixmerten A., Feliciano S., Wolf F., Asnaghi A.M., Baumhoer D., Bieri O., Kretzschmar M., Pagenstert G., Haug M., Schaefer D.J., Martin I., Jacob M.: Nasal chondrocyte-based engineered autologous cartilage tissue for repair of articular cartilage defects: an observational first-in-human trial. The Lancet, 388, 10055(2016), pp. 1985–1994.
• 35. Musumeci G., Szychlinska M.A., Mobasheri A.: Age-related degeneration of articular cartilage in the pathogenesis of osteoarthritis: molecular markers of senescent chondrocytes. Histol Histopathol, 30, 1(2015), pp. 1–12.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).