腓骨重建小鈦板及重建板固定下頜骨體部缺損的生物力學(xué)比較分析

[摘要]目的：利用三維有限元方法比較小鈦板及重建板固定的下頜骨體部缺損腓骨修復(fù)后的應(yīng)力分布特點(diǎn)及位移情況，為臨床上內(nèi)固定選擇提供力學(xué)依據(jù)。方法：建立下頜骨體部缺損腓骨修復(fù)及小型四孔鈦板與重建板固定的三維有限元模型，模擬健側(cè)磨牙咬合加載，對(duì)比分析鈦板、釘孔周圍骨質(zhì)的最大應(yīng)力值以及腓骨前后端的最大應(yīng)力值和位移情況。結(jié)果：建立了小鈦板與重建板固定的下頜骨體部缺損腓骨重建的三維有限元模型。鈦板最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在下頜角區(qū)域，且均位于鈦板上緣或后上方鈦板（小鈦板組），重建板31.645 MPa，小鈦板37.031 MPa，均低于鈦合金材料的破壞極限。釘孔周圍皮質(zhì)骨最大應(yīng)力值均在最靠近前部下頜骨殘端與腓骨交界處的第一個(gè)釘孔處，重建板4.712 MPa，小鈦板8.243 MPa，也都低于皮質(zhì)骨的屈服強(qiáng)度?？傮w位移腓骨前端均大于后端且兩種鈦板組結(jié)果相近。結(jié)論：重建板和小鈦板均能滿足下頜骨體部缺損腓骨固定修復(fù)的生物力學(xué)要求。

[關(guān)鍵詞]下頜骨；體部缺損；腓骨；固定修復(fù)；小鈦板；重建板；生物力學(xué)

[中圖分類號(hào)]R782.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]1008-6455（2024）09-0049-04

Comparative Biomechanical Analysis of Fixation of Mandibular Body Defect with Small Titanium Plate and Reconstruction Plate of Fibula

LIU Xiong， HU Chao， OUYANG Jiajie

[ Department of Stomatology， Shunde Hospital， Southern Medical University （ the First People's Hospital of Shunde ）， Foshan 528308， Guangdong， China ]

Abstract： Objective The three-dimensional finite element method was used to compare stress distribution and displacement of mandibular body defect reconstructed with fibula fixed with miniplates and the reconstruction plate and to provide mechanical reference for selection of internal fixation in clinical practice. Methods Three-dimensional finite element model of mandibular body defect reconstructed with fibula fixed with miniplates or reconstruction plate was established， and simulation contralateral molar vertical loading . Maximum stress of plate， the bone around screw and maximum displacement of the front and rear ends of the fibula were compared and analylsed. Results Finite element model of mandibular body defect reconstructed with fibula fixed with miniplates or reconstruction plate was established .Maximum stress of plate occurred in the region of mandibular angle， all located on the upper edge of the plate or the upper rear titanium plate （ miniplates group）.Maximum stress of reconstruction plate was 31.645 MPa， while that of miniplates was 37.031 MPa.and they were all lower than the failure limit of titanium alloy materials.Maximum stress values of bone around screw occurred in the nail hole closest to anterior mandibular stumps / fibula junction， value in reconstruction plate group was 4.712 MPa，while that in miniplates group was 8.243 MPa. They are also lower than the yield strength of cortical bone. The total displacement of the anterior end of the fibula was greater than that of the posterior end， and the results of the two titanium plate groups were similar. Conclusion Both reconstruction plate and miniplates can meet the biomechanical fixation requirements of mandibular body defect reconstructed with fibula.

Key words： mandibular; bldy defect; fibula; fixed prosthesis; miniplates; reconstruction plate; biomechanics

腓骨皮瓣是修復(fù)下頜骨缺損的最常見(jiàn)選擇之一，小鈦板和重建板是目前臨床最常用的兩種堅(jiān)固內(nèi)固定方式[1]。常見(jiàn)并發(fā)癥包括皮瓣壞死、鈦板外露、鈦板斷裂、鈦釘松動(dòng)、骨不愈合和骨壞死。吸煙或輔助放療已被確定為危險(xiǎn)因素，但固定裝置本身也會(huì)影響術(shù)后并發(fā)癥。小鈦板具有可塑性好、易操作、體積較小，術(shù)中時(shí)間縮短和血管蒂部風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)；但由于小鈦板較小，許多人也認(rèn)為它更容易斷裂從而導(dǎo)致骨畸形愈合或不愈合。重建鈦板可以根據(jù)下頜骨的外形彎制，術(shù)后外形和固定的效果好，但其體積大，有可能會(huì)出現(xiàn)干擾血管蒂，金屬易疲勞、有應(yīng)力遮擋、更難塑形貼合，通常需二次手術(shù)取出等問(wèn)題。盡管兩種鈦板有各自潛在的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，目前越來(lái)越多的研究比較小鈦板、重建板固定下頜骨缺損腓骨重建的并發(fā)癥情況，但對(duì)其內(nèi)固定本身的相對(duì)安全性仍未達(dá)成共識(shí)[2-4]。

由于在臨床研究中對(duì)腓骨重建下頜骨固定方式的力學(xué)研究是行不通的，而有限元分析方法能夠在一定程度上模擬體內(nèi)力學(xué)情況。本文通過(guò)建立兩種固定方式下下頜骨體部缺損腓骨重建模型，利用有限元分析方法分析比較小鈦板及重建板固定重建下頜骨的生物力學(xué)差異，為臨床上內(nèi)固定選擇提供力學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究對(duì)象：選擇一名健康成年女性志愿者，26歲，牙列完整，無(wú)牙列擁擠，無(wú)咬牙合障礙，后牙為中性牙合，無(wú)顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病，采用64層CT進(jìn)行下頜骨及腓骨連續(xù)水平掃描，層厚1 mm，以Dicom格式保存圖像。

1.2 三維有限元模型建立：利用CT數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入Mimics 10.0軟件（比利時(shí)Materialise公司）中，建立含有下頜皮質(zhì)骨、下頜松質(zhì)骨、牙等三維模型，并導(dǎo)出STL格式文件。在Geomagic1 1.0軟件（美國(guó)Geomagic公司）中，對(duì)三維模型進(jìn)行曲面化、降噪等一系列圖像處理，生成IGES文件格式。利用Solidworks軟件（法國(guó)達(dá)索公司），四孔小鈦板和重建板的實(shí)際尺寸及鈦釘外觀參考美國(guó)勞倫斯公司內(nèi)固定系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行三維模型構(gòu)建，鈦釘簡(jiǎn)化為圓柱狀。最后全部重建模型在ANSYS Workbench 13.0（美國(guó)ANSYS公司）中，根據(jù)Urken分類標(biāo)準(zhǔn)[5]截取下頜骨體部（從前磨牙至磨牙區(qū)域）并截取相應(yīng)長(zhǎng)度的腓骨中段，進(jìn)行鈦板鈦釘固定，模擬修復(fù)。并以其默認(rèn)的Solid 187實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.3 邊界約束和載荷條件：材料屬性[6]和邊界約束[7]均引用至相關(guān)文獻(xiàn)。選擇健側(cè)第一磨牙加載，加載力為100 N[7]。下頜骨及腓骨假定為愈合。鈦板與鈦釘、鈦釘與下頜骨、腓骨之間以完全黏合的方式模擬。材料力學(xué)特性均假定為均質(zhì)，連續(xù)和各向同性的線彈性。

1.4 觀察指標(biāo)：云圖左側(cè)為條柱狀刻度尺，共14種顏色，從下到上，最小值為藍(lán)色，最大值為紅色，在軟件中目標(biāo)區(qū)域提取最大值。同時(shí)因?yàn)槲灰凭哂蟹较蛐裕梢栽谌S坐標(biāo)系中分解。觀察比較分析兩種固定方式下鈦板、釘孔周圍骨質(zhì)的最大Von Mises應(yīng)力以及腓骨前后端最大Von Mises應(yīng)力及位移情況。

2 結(jié)果

2.1 加載后重建模型的整體應(yīng)力分布：建立了四孔小鈦板及重建板內(nèi)固定的下頜骨體部缺損腓骨重建的三維有限元模型，重建板組單元數(shù)178 031，節(jié)點(diǎn)數(shù)295 763；小鈦板組單元數(shù)182 871，節(jié)點(diǎn)數(shù)309 830。重建后的下頜骨應(yīng)力集中部位位于髁突頸部、下頜骨與腓骨結(jié)合處、釘孔周圍骨皮質(zhì)、靠近下頜角區(qū)域的鈦板，見(jiàn)圖1～2。然而重建板固定后的腓骨段應(yīng)力更加集中于鈦板覆蓋的長(zhǎng)軸區(qū)域，小鈦板組應(yīng)力更加分散。

2.2 鈦板及鈦釘周圍骨皮質(zhì)應(yīng)力分析：小鈦板固定組，每塊鈦板的最大應(yīng)力值均位于內(nèi)側(cè)兩個(gè)釘孔之間，發(fā)生在上緣，其中最大值位于后上板為37.031 Mpa。每塊板最大值依次為后上板＞后下板＞前上板＞前下板。重建板固定組，靠近下頜角區(qū)域附近鈦板上緣應(yīng)力較大，最大值位于下頜角處殘端兩顆鈦釘之間的鈦板轉(zhuǎn)角處，最大值為31.645 MPa。鈦釘?shù)淖畲髴?yīng)力值出現(xiàn)在鈦釘頸部，應(yīng)力沿著釘尖方向先減小再增大，最小值位于靠近釘尖1/3的位置，見(jiàn)圖1。小鈦板的最大應(yīng)力值稍高于重建板，但均低于鈦合金材料的屈服強(qiáng)度。在小鈦板固定組，下頜骨殘端釘孔周圍骨皮質(zhì)最大應(yīng)力值位于前上方鈦板靠近交界處的第一釘孔，最大值為8.243 MPa ，其次為靠近腓骨上方中間兩個(gè)釘孔；重建板固定組同樣在靠近下頜骨與腓骨交界處前端的第一個(gè)釘孔，最大值為4.712 MPa，其次為腓骨側(cè)兩個(gè)釘孔，見(jiàn)圖2。腓骨前端最大應(yīng)力值小于后端，均位于上緣，小鈦板組及重建板組結(jié)果相似，見(jiàn)表1。

2.3 腓骨前后端位移情況：兩種固定方式下腓骨位移值從前牙區(qū)向髁突方向逐漸減?。ㄒ?jiàn)圖3）?？傮w上看，腓骨前端位移均大于后端，但小鈦板組及重建板組差別不大，見(jiàn)表1。腓骨前后端最大位移在X、Y、Z軸方向的分量，可見(jiàn)兩種固定方式下腓骨前端上下方向、頰舌向位移較大，其限制作用均較弱，限制長(zhǎng)軸（X軸）方向位移效果顯著，見(jiàn)表2。

3 討論

下頜骨良惡性腫瘤病變的手術(shù)治療常導(dǎo)致下頜骨節(jié)段性缺損，造成患者的咀嚼、吞咽和言語(yǔ)等功能障礙。血管化的腓骨游離皮瓣是腫瘤切除術(shù)后重建下頜骨最有效的方法之一。小型鈦板和重建板是臨床常用的內(nèi)固定方式，不同的術(shù)者有不同的偏好。不同學(xué)者臨床回顧性研究發(fā)現(xiàn)兩種內(nèi)固定方式下并發(fā)癥情況結(jié)果不一致，同時(shí)缺少以缺損類型等為基準(zhǔn)線的對(duì)比研究[4，8]。下頜骨缺損最常發(fā)生在下頜骨體部[9]，本文設(shè)定在下頜骨體部缺損情況下腓骨重建并固定，利用有限元分析方法從生物力學(xué)方面探討小鈦板及重建板固定后的應(yīng)力分布規(guī)律和穩(wěn)定性。

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈦板的最大應(yīng)力值，小鈦板固定組大于重建板組。鈦板最大應(yīng)力值均在下頜角區(qū)域的鈦板上，且小鈦板組位于最后上方鈦板的中央，重建板位于轉(zhuǎn)角薄弱上緣處。這與Hoefert S等[10]和Wan B等[6]三維有限元模型重建板最大應(yīng)力位置相似，以及Rendenbach E等[11]體外模型實(shí)驗(yàn)小鈦板及重建板斷裂位置一致。理論上小鈦板固定組鈦板斷裂風(fēng)險(xiǎn)將大于重建板固定組。這與部分學(xué)者力學(xué)研究結(jié)論相同。Steffen C等[12]體外聚氨酯模型生物力學(xué)研究觀察到部分小鈦板變形、斷裂。以及Park S等[13]研究發(fā)現(xiàn)三維有限元模型中小鈦板斷裂風(fēng)險(xiǎn)更高。然而臨床回顧性研究出現(xiàn)相互矛盾的結(jié)果。Sobti N等[8]回顧性及薈萃分析中發(fā)現(xiàn)下頜骨腫瘤切除后腓骨修復(fù)情況下小鈦板比重建板固定有更高的鈦板相關(guān)并發(fā)癥。但是Al-Bustani S等[4]回顧性研究發(fā)現(xiàn)小鈦板與重建板相比并未增加鈦板折裂風(fēng)險(xiǎn)，它們的總體并發(fā)癥發(fā)生率之間無(wú)顯著差異。在本實(shí)驗(yàn)中，小鈦板的最大應(yīng)力值（37.031 MPa）稍高于重建板（31.645 MPa），從力學(xué)上講小鈦板斷裂的風(fēng)險(xiǎn)更高。但是它們均低于鈦合金的材料破壞極限[14]（屈服強(qiáng)度：340 MPa，極限拉伸強(qiáng)度：430 MPa）。因此該條件下鈦板均不會(huì)發(fā)生斷裂，兩種內(nèi)固定方式均滿足臨床固定需求。同時(shí)另有研究表明CAD/CAM提前塑形鈦板使其更加貼合下頜骨輪廓可能會(huì)使角度偏差最小化，從而降低鈦板斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)載荷達(dá)到一定的數(shù)值之前小鈦板、自鎖重建板及CAD/CAM重建板固定之間無(wú)明顯差異[11]。本研究中鈦板均進(jìn)行塑形盡量貼合下頜骨及腓骨，減少了角度偏差，從而降低斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。故有理由相信兩種內(nèi)固定方式本身并不會(huì)增加鈦板斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，有可能是手術(shù)操作以及鈦板塑形固定等原因。

功能負(fù)載經(jīng)鈦板鈦釘傳遞至骨組織，產(chǎn)生擠壓力，當(dāng)應(yīng)力過(guò)于集中，超過(guò)鈦釘周圍骨皮質(zhì)可耐受范圍時(shí)，將引起骨吸收和釘松動(dòng)。根據(jù)Li X等[15]研究，當(dāng)鈦釘傳遞的應(yīng)力值超過(guò)皮質(zhì)骨的屈服強(qiáng)度85 MPa時(shí)，鈦釘可能導(dǎo)致周圍骨的吸收，從而使鈦釘松動(dòng)。本研究中小鈦板固定組鈦釘周圍骨皮質(zhì)最大應(yīng)力值大于重建板組，為8.243 MPa，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此屈服強(qiáng)度。故由于術(shù)后有限的咬合力，兩種內(nèi)固定方式下發(fā)生鈦釘松動(dòng)的可能性較小。

就移植腓骨的長(zhǎng)期穩(wěn)定性而言，腓骨連接是最薄弱區(qū)域，因此本研究選擇了腓骨連接部分來(lái)測(cè)量其應(yīng)力和位移。本實(shí)驗(yàn)中，兩種固定方式下腓骨后端的最大應(yīng)力值明顯大于前端，位于上緣，與鈦板最大應(yīng)力值位置相一致。同時(shí)有學(xué)者對(duì)下頜骨體部缺損腓骨放置位置的生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)放置在平齊下頜骨下緣的腓骨承受的應(yīng)力最大，中間的最小，該研究符合Champy理論，中間位置更好地恢復(fù)了張力帶和壓力帶[16]。本研究中將腓骨按常規(guī)放置于平齊下頜骨下緣，僅僅恢復(fù)了壓力帶，張力帶未恢復(fù)，上方需承受更大的張力，故也解釋了本研究發(fā)現(xiàn)上方鈦板或鈦板上緣以及腓骨前后端上緣應(yīng)力較大的原因。不管為何種固定方式，整個(gè)重建下頜骨的位移趨勢(shì)均為從前至后逐漸減小，本實(shí)驗(yàn)中兩種固定方式下腓骨最大位移值前端大于后端，并且結(jié)果相近。與體外模型實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)相一致[12]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腓骨前端頰舌向（Y軸）、上下方向（Z軸）位移較大，鈦板對(duì)腓骨的Y/Z軸限制作用較弱，同時(shí)下頜骨殘端釘孔周圍骨質(zhì)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在最靠近前端缺損處的釘孔處。為了減少在骨愈合后咬合力增加導(dǎo)致的釘孔骨質(zhì)吸收、鈦釘松動(dòng)，以及位移形變，因此建議為增加穩(wěn)定性并分散應(yīng)力、減少位移，該處鈦釘選擇雙皮質(zhì)釘是必要的。

綜上所述，在下頜骨體部缺損腓骨修復(fù)情況下小鈦板和重建板固定方式下不管從鈦板最大應(yīng)力值、釘孔皮質(zhì)骨承受最大應(yīng)力值還是骨斷端的位移情況，均在安全范圍內(nèi)，符合臨床固定需求。但考慮到遠(yuǎn)期固定效果，固定時(shí)需更加注意在下頜角區(qū)域鈦板塑形貼合情況，避免應(yīng)力疲勞斷裂。以及下頜骨殘端最靠近前端缺損處鈦釘至關(guān)重要，選擇雙皮質(zhì)釘固定是必要的。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙芳.血管化游離腓骨肌皮瓣重建下頜骨缺損[J].中國(guó)美容醫(yī)學(xué)，2011，20（8）：1227-1229.

[2]Fatani B， Fatani J A， Fatani O A. Approach for mandibular reconstruction using vascularized free fibula flap： A review of the literature[J]. Cureus， 2022，14（10）：e30161.

[3]Han J， Guo Z， Wang Z， et al. Comparison of the complications of mandibular reconstruction using fibula versus iliac crest flaps： an updated systematic review and meta-analysis[J]. Int J Oral Maxillofac Surg， 2022，51（9）：1149-1156.

[4]Al-Bustani S， Austin G K， Ambrose E C， et al. miniplates versus reconstruction bars for oncologic free fibula flap mandible reconstruction[J]. Ann Plas Surg， 2016，77（3）：314-317.

[5]Urken M L， Buchbinder D， Costantino P D， et al. Oromandibular reconstruction using microvascular composite flaps： report of 210 cases[J]. Arch Otolaryngol Head Neck Surg， 1998，124（1）：46-55.

[6]Wan B， Yoda N， Zheng K， et al. On interaction between fatigue of reconstruction plate and time-dependent bone remodeling[J]. J Mech Behav Biomed Mater， 2022，136：105483.

[7]El-Anwar M， Ghali R， Aboelnagga M. 3D finite element study on： bar splinted implants supporting partial denture in the reconstructed mandible[J]. Open Access Maced J Med Sci， 2016，4（1）：164-171.

[8]Sobti N， Ahmed K S， Polanco T， et al. Mini-plate versus reconstruction bar fixation for oncologic mandibular reconstruction with free fibula flaps： A systematic review and meta-analysis[J].J Plast Reconstr Aesthet Surg， 2022，75（8）：2691-2701.

[9]季彤，張陳平.下頜骨節(jié)段性缺損541例臨床回顧性研究[J].中華口腔醫(yī)學(xué)雜志，2006，41（12）：705-708.

[10]Hoefert S， Taier R. Mechanical stress in plates for bridging reconstruction mandibular defects and purposes of double plate reinforcement[J]. J Craniomaxillofac Surg， 2018，46（5）：785-794.

[11]Rendenbach C， Sellenschloh K， Gerbig L， et al. CAD-CAM plates versus conventional fixation plates for primary mandibular reconstruction： A biomechanical in vitro analysis[J]. J Craniomaxillofac Surg， 2017，45（11）：1878-1883.

[12]Steffen C， Sellenschloh K， Vollmer M， et al. Biomechanical comparison of titanium miniplates versus a variety of CAD/CAM plates in mandibular reconstruction[J]. J Mech Behav Biomed Mater， 2020，111：104007.

[13]Park S， Lee J， Noh G. Which plate results in better stability after segmental mandibular resection and fibula free flap reconstruction？ Biomechanical analysis[J]. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol， 2018，126（5）：380-389.

[14]Martola M， Lindqvist C， Hanninen H， et al. Fracture of titanium plates used for mandibular reconstruction following ablative tumor surgery[J]. J Biomed Mater Res B Appl Biomater， 2007，80（2）：345-352.

[15]Li X， Jiang C， Gao H， et al. Biomechanical analysis of various reconstructive methods for the mandibular body and ramus defect using a free vascularized fibula flap[J]. Biomed Res Int， 2020，2020：8797493.

[16]Cheng K J， Liu Y F， Wang J H， et al. Biomechanical behavior of mandibles reconstructed with fibular grafts at different vertical positions using finite element method[J]. J Plast Reconstr Aesthet Surg， 2019，72（2）：281-289.

[收稿日期]2022-12-12

本文引用格式：劉雄，胡超，歐陽(yáng)嘉杰.腓骨重建小鈦板及重建板固定下頜骨體部缺損的生物力學(xué)比較分析[J].中國(guó)美容醫(yī)學(xué)，2024，33（9）：48-52.