鈦生物力型下頜骨（BMM）設計和實驗研究.pdf

1、嚴重的外傷、感染、腫瘤等均會導致下頜骨部分或全部切除，造成其連續(xù)性中斷，影響忠者的面部外形及咀嚼、吞咽、語音等口腔生理功能，使患者的生活質(zhì)量下降。下頜骨重建經(jīng)歷了一個多世紀的發(fā)展，從早期的游離骨移植，成品金屬植入體，異體骨，發(fā)展到如今的血管化自體骨移植、組織工程化骨移植。這些修復方法雖然取得了一定的效果，但仍存在很多問題。在自體骨移植重建中，頜面外科醫(yī)生對移植骨塊的塑形及面部外形的匹配方面，除了依據(jù)頭顱標本外，主要根據(jù)其個人的臨床經(jīng)驗來

2、估計，其主觀性較強，囚而很難達到理想的重建效果，此外，自體骨移植往往造成供區(qū)骨缺損，導致供區(qū)畸形和功能障礙。目前使用的全異質(zhì)修復體多為成品，它根據(jù)不同的缺損情況彎曲成型，與義齒修復缺乏聯(lián)系性，術后多采用傳統(tǒng)的活動義齒修復，其支持和固位作用都較差，患者的生活質(zhì)量得不到有效的提高。另外，在臨床應用中也存在一些問題，主要是軟組織的感染、穿孔，板的斷裂等。血管化自體骨移植，由于技術難度大、對患者的耐受性要求高、并存在供區(qū)并發(fā)癥的危險，這就限制了

3、晚期放療化療后腫瘤病人、全身耐受性差、動脈硬化等老年患者韻應用。目前，在頜面修復領域，這些問題始終困擾著臨床醫(yī)生和設計人員，一旦手術失敗，二次手術的困難比初次手術更復雜、費時、難度更高，忠者還要遭受二次創(chuàng)傷。因此設計一種全新的、符合下頜骨生物力學特點的、并可以長期滯留體內(nèi)且兼顧功能重建的生物力型下頜骨，是一個值得醫(yī)工界去深入研究的課題。 研究目的：本文從下頜骨解剖、生物力學角度出發(fā)，應用CAD/CAM技術對下頜骨缺損的整體結構，

4、含種植基樁孔道，以及固位方式進行一體化設計，建立生物力型下頜骨(Bio-Mechanical Mandible，BMM)模型，為Ⅱ期動物實驗及臨床應用奠定基礎。探討應用反求與快速成型技術進行下頜骨體部缺損整復設計和植入體制作的可行性。 材料與方法：(1)獲取一名本地區(qū)正常牙合成年男性下頜骨SCT圖像數(shù)據(jù)資料(DICOM格式)，應用輪廓特征提取軟件(GET-POINT)以及有限元分析(FEA)法與CAD軟件(Pro/E)無縫集成技

5、術，分別構建下頜皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、牙的三維有限元模型(3-DFEM)，模擬正中咬合加載，分析正常下頜骨的生物應力分布特征。(2)應用ANSYS參數(shù)化設計語言(APDL)對簡化修復體支架3-DFEM進行參數(shù)化設計模擬下頜骨體部缺損(3-7)，分別設計并建立雙延伸肩臺拉力螺釘固位方式以及傳統(tǒng)重建板固位方式的BMM三維有限元模型，建立四種鏤空方案簡化修復體支架3-DFEM，采用垂直加載方式，分別計算并比較修復體支架的應力分布情況，優(yōu)化修復體支架

6、的鏤空設計方案，分析并計算其整體結構、固位結構及其周圍骨質(zhì)的應力分布情況，優(yōu)化固位方式選擇；(3)采用9只健康小型豬，術前收集豬下頜骨的螺旋CT數(shù)據(jù)，采用快速原形技術重建出豬的下頜骨實體模型，并設計出一側下頜骨體部5cm的缺損，應用CAD/CAM技術，形成與缺損部位完全吻合的BMM。通過手術建立與BMM形態(tài)大小完全吻合的缺損，然后將BMM植入并固定，鏤空區(qū)植入自體松質(zhì)骨。術后每月進行X線、CT及3-DCT檢查，1.2.3.6月后處死動物

7、，切取標本制備硬組織切片和正常組織切片，光鏡觀察。采用生物力學的方法，分析骨與假體結合處的結合強度。 結果：(1)正常下頜骨的生物應力主要沿下頜骨內(nèi)、外斜嵴以及下頜支下緣分布，分別構成牙力軌跡及肌力軌跡，兩者之間為應力空白帶，下頜皮質(zhì)骨最大應力為105MPa，松質(zhì)骨為12.9MPa。(2)修復體支架(未鏤空方案)整體生物應力分布類似于正常下頜骨的生物應力分布特征；鏤空孔徑大小對修復體應力改變影響不明顯：1mm鏤空間距會造成明顯應

8、力集中，2-3mm鏤空間距應力分布的區(qū)別變化不大，但橫向孔間隔較縱向間隔應力集中。(3)雙延伸肩臺拉力螺釘固位方式BMM整體應力分布均勻合理，平均最大應力為223.775 MPa；固位結構應力呈等強度分布(F=1.42，P=0.2997>0.05)：下肩臺周圍骨組織所承受應力最大，但與正常松質(zhì)骨最大應力間無統(tǒng)計學差異(T=0.0849，P=0.9377>0.05)。(4)重建板固位方式的BMM整體應力分布均勻合理，平均最大應力為129.

9、180 MPa；固位結構應力呈非等強度分布(F=2.87，P=0.0704>0.05)；固位結構周圍骨組織的應力分布合理。(5)動物實驗BMM修復后口腔粘膜未暴露者假體不同程度被骨痂覆蓋，X-ray、CT、3D-CT及MICRO-CT骨密度檢查顯示術后6個月假體完全由新生骨覆蓋、下頜骨連續(xù)性完整，固位良好，與骨結合處為骨性結合，生物力學測試與健側無統(tǒng)計學差異。暴露者下頜骨下緣連續(xù)性尚可，固位欠佳，穩(wěn)定性差，與骨結合處為纖維結締組織。

10、 結論：(1)正常下頜骨的生物應力分布特點為BMM整體設計，即沿主應力帶的主承力支架設計與沿應力空白帶的鏤空結構設計，提供了力學依據(jù)；主承力支架寬度設定為6 mm，肌力覆著區(qū)為2 mm，高度為20 mm。(2)下頜骨修復支架的整體應力分布規(guī)律驗證了BMM設計思路的合理性；根據(jù)對修復體鏤空結構的優(yōu)化設計結果，原則為以品字形鏤空、橫向間隔不少于3mm、縱向間隔不少于2mm。(3)雙延伸肩臺拉力螺釘固位方式BMM整體設計滿足了整體強度上的

11、要求；從體部缺損假體設計中也同時考察了應用拉力螺釘時不同截骨平面角度對骨-假體系統(tǒng)應力的影響，得出了切除角度越大，則系統(tǒng)的受力越均勻的結論；同時體部缺損假體的孔中植入松質(zhì)骨后也可以達到骨細胞生長所需的應力水平；為提高假體與骨之間連接的穩(wěn)定性，建議采用在假體上設計凸臺。(4)重建板固位方式的BMM設計在整體強度上同樣合理，甚至更優(yōu)于雙延伸肩臺拉力螺釘固位方式BMM設計，但其固位結構易產(chǎn)生應力集中。(5)利用反求工程軟件進行了實驗用動物假體