腓骨重建小钛板及重建板固定下颌骨体部缺损的生物力学比较分析

[摘要]目的：利用三维有限元方法比较小钛板及重建板固定的下颌骨体部缺损腓骨修复后的应力分布特点及位移情况，为临床上内固定选择提供力学依据。方法：建立下颌骨体部缺损腓骨修复及小型四孔钛板与重建板固定的三维有限元模型，模拟健侧磨牙咬合加载，对比分析钛板、钉孔周围骨质的最大应力值以及腓骨前后端的最大应力值和位移情况。结果：建立了小钛板与重建板固定的下颌骨体部缺损腓骨重建的三维有限元模型。钛板最大应力值均出现在下颌角区域，且均位于钛板上缘或后上方钛板（小钛板组），重建板31.645 MPa，小钛板37.031 MPa，均低于钛合金材料的破坏极限。钉孔周围皮质骨最大应力值均在最靠近前部下颌骨残端与腓骨交界处的第一个钉孔处，重建板4.712 MPa，小钛板8.243 MPa，也都低于皮质骨的屈服强度。总体位移腓骨前端均大于后端且两种钛板组结果相近。结论：重建板和小钛板均能满足下颌骨体部缺损腓骨固定修复的生物力学要求。

[关键词]下颌骨；体部缺损；腓骨；固定修复；小钛板；重建板；生物力学

[中图分类号]R782.4 [文献标志码]A [文章编号]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

腓骨皮瓣是修复下颌骨缺损的最常见选择之一，小钛板和重建板是目前临床最常用的两种坚固内固定方式[1]。常见并发症包括皮瓣坏死、钛板外露、钛板断裂、钛钉松动、骨不愈合和骨坏死。吸烟或辅助放疗已被确定为危险因素，但固定装置本身也会影响术后并发症。小钛板具有可塑性好、易操作、体积较小，术中时间缩短和血管蒂部风险低等优点；但由于小钛板较小，许多人也认为它更容易断裂从而导致骨畸形愈合或不愈合。重建钛板可以根据下颌骨的外形弯制，术后外形和固定的效果好，但其体积大，有可能会出现干扰血管蒂，金属易疲劳、有应力遮挡、更难塑形贴合，通常需二次手术取出等问题。尽管两种钛板有各自潜在的优点和缺点，目前越来越多的研究比较小钛板、重建板固定下颌骨缺损腓骨重建的并发症情况，但对其内固定本身的相对安全性仍未达成共识[2-4]。

由于在临床研究中对腓骨重建下颌骨固定方式的力学研究是行不通的，而有限元分析方法能够在一定程度上模拟体内力学情况。本文通过建立两种固定方式下下颌骨体部缺损腓骨重建模型，利用有限元分析方法分析比较小钛板及重建板固定重建下颌骨的生物力学差异，为临床上内固定选择提供力学依据。

1 材料和方法

1.1 研究对象：选择一名健康成年女性志愿者，26岁，牙列完整，无牙列拥挤，无咬牙合障碍，后牙为中性牙合，无颞下颌关节紊乱病，采用64层CT进行下颌骨及腓骨连续水平扫描，层厚1 mm，以Dicom格式保存图像。

1.2 三维有限元模型建立：利用CT数据以Dicom格式导入Mimics 10.0软件（比利时Materialise公司）中，建立含有下颌皮质骨、下颌松质骨、牙等三维模型，并导出STL格式文件。在Geomagic1 1.0软件（美国Geomagic公司）中，对三维模型进行曲面化、降噪等一系列图像处理，生成IGES文件格式。利用Solidworks软件（法国达索公司），四孔小钛板和重建板的实际尺寸及钛钉外观参考美国劳伦斯公司内固定系统，对其进行三维模型构建，钛钉简化为圆柱状。最后全部重建模型在ANSYS Workbench 13.0（美国ANSYS公司）中，根据Urken分类标准[5]截取下颌骨体部（从前磨牙至磨牙区域）并截取相应长度的腓骨中段，进行钛板钛钉固定，模拟修复。并以其默认的Solid 187实体单元对模型进行网格划分。

1.3 边界约束和载荷条件：材料属性[6]和边界约束[7]均引用至相关文献。选择健侧第一磨牙加载，加载力为100 N[7]。下颌骨及腓骨假定为愈合。钛板与钛钉、钛钉与下颌骨、腓骨之间以完全黏合的方式模拟。材料力学特性均假定为均质，连续和各向同性的线弹性。

1.4 观察指标：云图左侧为条柱状刻度尺，共14种颜色，从下到上，最小值为蓝色，最大值为红色，在软件中目标区域提取最大值。同时因为位移具有方向性，可以在三维坐标系中分解。观察比较分析两种固定方式下钛板、钉孔周围骨质的最大Von Mises应力以及腓骨前后端最大Von Mises应力及位移情况。

2 结果

2.1 加载后重建模型的整体应力分布：建立了四孔小钛板及重建板内固定的下颌骨体部缺损腓骨重建的三维有限元模型，重建板组单元数178 031，节点数295 763；小钛板组单元数182 871，节点数309 830。重建后的下颌骨应力集中部位位于髁突颈部、下颌骨与腓骨结合处、钉孔周围骨皮质、靠近下颌角区域的钛板，见图1～2。然而重建板固定后的腓骨段应力更加集中于钛板覆盖的长轴区域，小钛板组应力更加分散。

2.2 钛板及钛钉周围骨皮质应力分析：小钛板固定组，每块钛板的最大应力值均位于内侧两个钉孔之间，发生在上缘，其中最大值位于后上板为37.031 Mpa。每块板最大值依次为后上板＞后下板＞前上板＞前下板。重建板固定组，靠近下颌角区域附近钛板上缘应力较大，最大值位于下颌角处残端两颗钛钉之间的钛板转角处，最大值为31.645 MPa。钛钉的最大应力值出现在钛钉颈部，应力沿着钉尖方向先减小再增大，最小值位于靠近钉尖1/3的位置，见图1。小钛板的最大应力值稍高于重建板，但均低于钛合金材料的屈服强度。在小钛板固定组，下颌骨残端钉孔周围骨皮质最大应力值位于前上方钛板靠近交界处的第一钉孔，最大值为8.243 MPa ，其次为靠近腓骨上方中间两个钉孔；重建板固定组同样在靠近下颌骨与腓骨交界处前端的第一个钉孔，最大值为4.712 MPa，其次为腓骨侧两个钉孔，见图2。腓骨前端最大应力值小于后端，均位于上缘，小钛板组及重建板组结果相似，见表1。

2.3 腓骨前后端位移情况：两种固定方式下腓骨位移值从前牙区向髁突方向逐渐减小（见图3）。总体上看，腓骨前端位移均大于后端，但小钛板组及重建板组差别不大，见表1。腓骨前后端最大位移在X、Y、Z轴方向的分量，可见两种固定方式下腓骨前端上下方向、颊舌向位移较大，其限制作用均较弱，限制长轴（X轴）方向位移效果显著，见表2。

3 讨论

下颌骨良恶性肿瘤病变的手术治疗常导致下颌骨节段性缺损，造成患者的咀嚼、吞咽和言语等功能障碍。血管化的腓骨游离皮瓣是肿瘤切除术后重建下颌骨最有效的方法之一。小型钛板和重建板是临床常用的内固定方式，不同的术者有不同的偏好。不同学者临床回顾性研究发现两种内固定方式下并发症情况结果不一致，同时缺少以缺损类型等为基准线的对比研究[4，8]。下颌骨缺损最常发生在下颌骨体部[9]，本文设定在下颌骨体部缺损情况下腓骨重建并固定，利用有限元分析方法从生物力学方面探讨小钛板及重建板固定后的应力分布规律和稳定性。

本实验发现钛板的最大应力值，小钛板固定组大于重建板组。钛板最大应力值均在下颌角区域的钛板上，且小钛板组位于最后上方钛板的中央，重建板位于转角薄弱上缘处。这与Hoefert S等[10]和Wan B等[6]三维有限元模型重建板最大应力位置相似，以及Rendenbach E等[11]体外模型实验小钛板及重建板断裂位置一致。理论上小钛板固定组钛板断裂风险将大于重建板固定组。这与部分学者力学研究结论相同。Steffen C等[12]体外聚氨酯模型生物力学研究观察到部分小钛板变形、断裂。以及Park S等[13]研究发现三维有限元模型中小钛板断裂风险更高。然而临床回顾性研究出现相互矛盾的结果。Sobti N等[8]回顾性及荟萃分析中发现下颌骨肿瘤切除后腓骨修复情况下小钛板比重建板固定有更高的钛板相关并发症。但是Al-Bustani S等[4]回顾性研究发现小钛板与重建板相比并未增加钛板折裂风险，它们的总体并发症发生率之间无显著差异。在本实验中，小钛板的最大应力值（37.031 MPa）稍高于重建板（31.645 MPa），从力学上讲小钛板断裂的风险更高。但是它们均低于钛合金的材料破坏极限[14]（屈服强度：340 MPa，极限拉伸强度：430 MPa）。因此该条件下钛板均不会发生断裂，两种内固定方式均满足临床固定需求。同时另有研究表明CAD/CAM提前塑形钛板使其更加贴合下颌骨轮廓可能会使角度偏差最小化，从而降低钛板断裂的风险，同时载荷达到一定的数值之前小钛板、自锁重建板及CAD/CAM重建板固定之间无明显差异[11]。本研究中钛板均进行塑形尽量贴合下颌骨及腓骨，减少了角度偏差，从而降低断裂的风险。故有理由相信两种内固定方式本身并不会增加钛板断裂的风险，有可能是手术操作以及钛板塑形固定等原因。

功能负载经钛板钛钉传递至骨组织，产生挤压力，当应力过于集中，超过钛钉周围骨皮质可耐受范围时，将引起骨吸收和钉松动。根据Li X等[15]研究，当钛钉传递的应力值超过皮质骨的屈服强度85 MPa时，钛钉可能导致周围骨的吸收，从而使钛钉松动。本研究中小钛板固定组钛钉周围骨皮质最大应力值大于重建板组，为8.243 MPa，它远远小于此屈服强度。故由于术后有限的咬合力，两种内固定方式下发生钛钉松动的可能性较小。

就移植腓骨的长期稳定性而言，腓骨连接是最薄弱区域，因此本研究选择了腓骨连接部分来测量其应力和位移。本实验中，两种固定方式下腓骨后端的最大应力值明显大于前端，位于上缘，与钛板最大应力值位置相一致。同时有学者对下颌骨体部缺损腓骨放置位置的生物力学研究发现放置在平齐下颌骨下缘的腓骨承受的应力最大，中间的最小，该研究符合Champy理论，中间位置更好地恢复了张力带和压力带[16]。本研究中将腓骨按常规放置于平齐下颌骨下缘，仅仅恢复了压力带，张力带未恢复，上方需承受更大的张力，故也解释了本研究发现上方钛板或钛板上缘以及腓骨前后端上缘应力较大的原因。不管为何种固定方式，整个重建下颌骨的位移趋势均为从前至后逐渐减小，本实验中两种固定方式下腓骨最大位移值前端大于后端，并且结果相近。与体外模型实验研究发现相一致[12]。本实验发现腓骨前端颊舌向（Y轴）、上下方向（Z轴）位移较大，钛板对腓骨的Y/Z轴限制作用较弱，同时下颌骨残端钉孔周围骨质最大应力值出现在最靠近前端缺损处的钉孔处。为了减少在骨愈合后咬合力增加导致的钉孔骨质吸收、钛钉松动，以及位移形变，因此建议为增加稳定性并分散应力、减少位移，该处钛钉选择双皮质钉是必要的。

综上所述，在下颌骨体部缺损腓骨修复情况下小钛板和重建板固定方式下不管从钛板最大应力值、钉孔皮质骨承受最大应力值还是骨断端的位移情况，均在安全范围内，符合临床固定需求。但考虑到远期固定效果，固定时需更加注意在下颌角区域钛板塑形贴合情况，避免应力疲劳断裂。以及下颌骨残端最靠近前端缺损处钛钉至关重要，选择双皮质钉固定是必要的。

[参考文献]

[1]赵芳.血管化游离腓骨肌皮瓣重建下颌骨缺损[J].中国美容医学，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，张陈平.下颌骨节段性缺损541例临床回顾性研究[J].中华口腔医学杂志，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：刘雄，胡超，欧阳嘉杰.腓骨重建小钛板及重建板固定下颌骨体部缺损的生物力学比较分析[J].中国美容医学，2024，33（9）：48-52.