《Frontiers in Physiology》：3D imaging and anisotropy mapping of the lamb disc for biomechanical and regenerative insights
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本文通过应用同步辐射相衬显微CT（synchrotron phase-contrast micro-CT）和深度学习分割技术，首次对绵羊颞下颌关节盘（TMJ）胶原纤维结构和三维各向异性（anisotropy）进行了全体积表征，揭示了其复杂的正交各向异性（orthotropic）架构。研究发现关节盘纤维网络存在显著的区域异质性和各向异性梯度，边缘高各向异性区域形成加强环，而中心区更趋各向同性。该研究阐明了关节盘的方向依赖性力学行为，为设计仿生支架和修复植入体提供了关键结构基准。
引言
颞下颌关节（TMJ）是一个复杂的滑膜关节，负责咀嚼、言语和复杂的下颌运动。其功能依赖于位于下颌骨髁突和颞骨关节窝之间的纤维软骨性关节盘，该结构能够吸收和分布关节活动时的机械负荷。当关节盘发生退化，现有的替代方案难以恢复其天然的力学性能。因此，开发有效的再生策略需要深入了解关节盘的结构。大型动物模型，如绵羊，因其关节大小、关节盘形状和整体结构与人类相似，成为研究TMJ生物力学和测试组织工程支架的关键平台。然而，对大型动物模型TMJ盘三维胶原纤维各向异性的全面、全体积量化尚未实现，填补这一知识空白对于连接结构与功能、指导仿生支架设计至关重要。本研究旨在通过高分辨率成像和计算分析，全面表征绵羊TMJ关节盘的胶原纤维结构和各向异性。
材料与方法
本研究采用了多模态三维成像工作流程。首先，对一具约6-8月龄的羔羊头颅进行锥形束CT（CBCT）扫描，获取解剖学背景。随后，在法国国家同步辐射装置SOLEIL的ANATOMIX光束线，利用同步辐射相衬显微CT对右侧TMJ（包括髁突、关节盘、软骨、韧带）进行高分辨率成像，体素尺寸为6.48 μm。成像后，通过基于深度学习的U-Net卷积神经网络模型，在Dragonfly Research软件中对骨骼、关节盘、软骨和韧带等组织进行全自动分割，并对关节盘纤维束进行进一步分割。纤维结构分析通过计算平均截距长度（MIL）导出的特征向量场来实现，量化了纤维主方向和各项异性指数，并在三个解剖平面（矢状面、冠状面、横断面）进行分析。成像后的样本经过脱钙、脱水、石蜡包埋和切片，进行苏木精-伊红（H&E）染色，用于验证三维分割结果。
结果
三维解剖学概览显示，羔羊TMJ盘呈现典型的双凹形态，与人类关节盘相似。纤维分析揭示了关节盘具有异质但高度有序的胶原网络结构。纤维取向映射显示，在整个关节盘组织中，纤维排列呈现高度组织化但区域异质的结构布局。定量分析表明，胶原网络具有正交各向异性组织特征，在不同解剖轴上具有不同的主导纤维群：侧向-内侧方向（L-M，X轴）的纤维占比最高，其次是腹侧-背侧方向（V-D，Y轴），而颅侧-尾侧方向（Cr-Ca，Z轴）最少。各向异性指数显示，侧向-内侧方向的结构有序度最高。
对不同解剖平面的分析进一步阐明了纤维结构与力学功能的关联。在矢状面（YZ平面），纤维取向频率和强度加权分布均显示出显著的腹背向优势，沿中央颅尾带存在一个高各向异性条带，定义了关节盘的拉伸轴。在冠状面（XZ平面），侧向-内侧取向占据主导地位，高各向异性区域形成横向加强带，这有助于抵抗侧向剪切力，维持关节在咀嚼（特别是反刍动物的侧方研磨运动）过程中的稳定性。在横断面（XY平面），纤维显示出明显的侧向-内侧成分，但也具有更多的多方向分布，这种混合方向的组织结构有助于在咀嚼过程中同时耗散侧向力和分布垂直载荷。
关节盘边缘区域的各向异性最高，形成稳定关节的加强环，而中心区域各向异性较低，更能适应变形，起到耗散能量的作用。此外，对软骨下骨的观察发现，其骨小梁呈精细、高度各向异性的网状结构，骨小梁间距在接触软骨的区域减小，这可能与关节盘的力学负荷传导相关。组织学切片验证了纤维分割的准确性，并与三维成像结果吻合。
讨论
本研究首次提供了绵羊TMJ关节盘胶原纤维取向和各向异性的全体积、平面分辨率三维分析，结果描述了具有梯度各向异性的区域依赖性胶原组织。该纤维结构与先前报道的关节盘力学测试结果一致，例如侧向-内侧方向的拉伸模量通常更高，这对应于反刍动物以侧方运动为主的咀嚼模式。关节盘的正交各向异性结构为其在不同方向上的差异化力学响应提供了微观结构基础。
尽管绵羊与人类的TMJ在结构和功能上存在差异（如绵羊下颌髁突呈内外侧凹陷，关节结节发育不足，运动模式以横向运动和旋转为主），但其纤维软骨组成、胶原类型和区域化纤维取向模式与人类相似，使其成为研究关节盘生物力学和再生策略的有效临床前模型。本研究采用的高分辨率同步辐射相衬显微CT方法，在显示组织微结构细节方面优于临床常用的磁共振成像。
各向异性和胶原纤维方向性是纤维组织生物力学行为的关键决定因素。本研究中观察到的矢状面、冠状面和横断面的纤维架构，有助于识别关节盘在复杂下颌运动中承受的主要和次要载荷方向。例如，冠状面的纤维加强环结构对于在长时间水平反刍周期中分布髁突与关节窝之间的横向平移力至关重要。研究结果与TMJ植入体磨损模式的空间分布也高度吻合，进一步验证了天然关节盘内部力传导路径的生物学合理性。
从组织工程和再生医学的角度来看，本研究结果为设计仿生的TMJ关节盘支架或植入体提供了定量的结构基准。理想的工程化替代物应能模仿天然结构的正交各向异性，在边缘区域实现高强度对齐以提供稳定性，同时在中心区域允许一定的各向同性以促进变形和能量耗散，并处理好纤维在韧带和肌肉附着区域的过渡。这些发现有助于将理想化的、方向性增强的支架设计与天然关节盘观察到的三维结构联系起来，为临床前环境中的修复体开发和评估提供结构背景。
结论
综上所述，本研究通过先进成像技术揭示，TMJ关节盘并非简单的横观各向同性膜，而是一个三维的正交各向异性网络。其中，外周加强环和中央能量耗散区通过附着结构与骨骼相连。各向异性和纤维方向是组织关节和结缔组织生物力学的关键原则，源于胶原纤维结构、细胞外基质成分以及所施加负荷的强度和方向之间的相互作用。这项工作为理解TMJ盘的力学功能、及其在退行性疾病中的作用机制提供了新的结构见解，并为开发能够恢复天然力学性能的再生疗法奠定了重要基础。
