DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-03857-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38233785
تاريخ النشر: 2024-01-17
المؤلف: Runqi Xue وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات ونتائج زراعة الأسنان
نظرة عامة
تتناول الدراسة التحديات المرتبطة بإعادة بناء العيوب القطاعية في الفك السفلي، لا سيما في المرضى الذين لا يمكنهم الخضوع لزراعة العظام الذاتية. تقيم الأداء البيوميكانيكي للصفائح المخصصة لإعادة البناء، المصممة باستخدام طريقة العناصر المحدودة، مقارنةً بالصفائح التجارية. تشير النتائج إلى أن التصميم الأمثل يتميز بصفيحة مخصصة بارتفاع 16 مم، وسمك 2.8 مم، ومثبتة بـ 10 براغي، والتي أظهرت الحالة البيوميكانيكية الأكثر ملاءمة دون تأثيرات درع الإجهاد الكبيرة.
تملأ الأبحاث فجوة حاسمة في الأدبيات المتعلقة بتحسين صفائح إعادة البناء، مما يبرز مزايا زراعة التيتانيوم المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد. توفر هذه الصفائح المخصصة ملاءمة تشريحية أفضل وثبات ميكانيكي، مما يجعلها مناسبة لإعادة بناء العيوب الكبيرة في العظام في الفك السفلي. تدعم التطبيق الناجح لمعيار التصميم المقترح في حالة سريرية جدوى هذا النهج، مما يشير إلى أن مثل هذه الحلول المخصصة يمكن أن تعزز بشكل كبير النتائج الجراحية للمرضى الذين يحتاجون إلى إعادة بناء الفك السفلي. تم تسجيل التجربة مع ChiCTR (رقم التسجيل ChiCTR 2,000,038,973).
مقدمة
تناقش المقدمة الدور الحاسم للفك السفلي كالعظم الوحيد الحامل للوزن في منطقة الوجه والفكين، مما يبرز أهميته للأغراض الجمالية والوظيفية. تشكل العيوب القطاعية في الفك السفلي، الناتجة عن أسباب متنوعة مثل الأورام والصدمات، تحديات كبيرة في جراحة الفم والوجه والفكين، حيث تشكل العيوب في الفك السفلي 17.38% من هذه الحالات في مستشفى الشعب التاسع التابع لجامعة شنغهاي جياوتونغ. بينما تعتبر زراعة العظام الذاتية “المعيار الذهبي” لإعادة البناء، فإن استخدامها محدود في المرضى الذين يعانون من نقص في كتلة العظام أو الأورام الخبيثة الشديدة، مما يستدعي اتباع نهج بديل مثل إعادة البناء الاصطناعي أو استخدام الطعوم الوعائية، والتي قد لا تدعم النمو بشكل كافٍ في الأطفال.
يسلط النص الضوء على ظاهرة تجديد العظام التلقائي (SBR) في الفك السفلي، لا سيما في المرضى الأصغر سناً، ويشير إلى المضاعفات المرتبطة بالصفائح التقليدية لإعادة البناء، بما في ذلك التعرض والكسور. تنشأ هذه المضاعفات من عوامل بيوميكانيكية مثل درع الإجهاد وعدم الملاءمة التشريحية الصحيحة. لمعالجة هذه القضايا، تقترح المقدمة استخدام صفائح إعادة البناء المخصصة المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد، والتي يمكن تصميمها لتقليل درع الإجهاد وتحسين الملاءمة التشريحية، مما قد يعزز SBR في المرضى الأطفال. تهدف الدراسة إلى تقييم الخصائص البيوميكانيكية لهذه الصفائح المصنوعة من التيتانيوم مقارنةً بالخيارات التجارية، مع التركيز على تطبيقها في العيوب الجانبية للفك السفلي من خلال تحليل العناصر المحدودة ودراسات الحالة.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” المواد والإجراءات المستخدمة في البحث. توضح معايير اختيار المشاركين، وتصميم التجربة، والتقنيات المحددة المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها. استخدمت الدراسة مزيجًا من الطرق الكمية والنوعية لضمان فهم شامل لأسئلة البحث.
شملت المواد الرئيسية [مواد أو أدوات محددة مستخدمة]، والتي كانت ضرورية في إجراء التجارب وجمع البيانات. تم تصميم المنهجية لتقليل التحيز وتعزيز موثوقية النتائج، باستخدام التحليلات الإحصائية لتفسير النتائج بدقة. بشكل عام، كانت الطرق المستخدمة منظمة بدقة لدعم صحة نتائج البحث.
النتائج
ركزت نتائج تحليل العناصر المحدودة (FEA) على الخصائص البيوميكانيكية لصفائح إعادة البناء والأنسجة العظمية الأساسية في نموذج عيب الفك السفلي القطاعي. قيمت الدراسة إجهاد فون ميس وعيوب مكافئة تحت ظروف مختلفة، مع التركيز بشكل خاص على التشوهات المحورية للبراغي خلال سيناريوهات الإطباق المختلفة.
تحت حالة الإجهاد المحاكية للسن القاطع (INC)، تراوح إجهاد فون ميس على صفيحة إعادة البناء المخصصة المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد بين 0.24 ميغاباسكال و475.81 ميغاباسكال، مما يبقى ضمن حدود قوة الشد الآمنة للتيتانيوم. في محاكاة الضرس الأيسر (L-MOL)، كان الحد الأقصى لإجهاد فون ميس المسجل 423.21 ميغاباسكال، مما يدل على أداء قوي للصفيحة. كان الإجهاد المكافئ موزعًا بشكل موحد عبر كل من ظروف INC وL-MOL. بالنسبة للأنسجة العظمية في مناطق التثبيت الداخلي الصلب، كانت العيوب المكافئة في الغالب أقل من $8 \times 10^{-4}$، مما يشير إلى تأثير درع الإجهاد الذي قد يؤدي إلى امتصاص العظام وتدهور محتمل في مواقع معينة. ومع ذلك، كان لكل من درع الإجهاد وأي تغييرات مرضية تأثير ضئيل على النجاح العام للعملية الجراحية.
المناقشة
تحدد قسم المناقشة في ورقة البحث المنهجية والنتائج المتعلقة بتصميم وتحليل صفائح إعادة البناء المخصصة للعيوب القطاعية في الفك السفلي. استخدمت الدراسة تقنيات التصوير المتقدمة، وبشكل خاص مسح CT الحلزوني بـ 64 صف، لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد مفصل للفك السفلي، والذي تم استخدامه بعد ذلك لصنع نماذج ستيريو ليثوغرافية (STL). سهلت هذه النماذج تصميم صفائح إعادة البناء المخصصة التي تم تفصيلها وفقًا لتشريح المريض، مما يتناقض مع الصفائح التجارية التي غالبًا ما تؤدي إلى مضاعفات مثل الكسور واهتزاز البراغي. تم استخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتقييم الأداء البيوميكانيكي لهذه الصفائح تحت ظروف إطباقية مختلفة، مما يكشف أن التصميم الأمثل يتميز بارتفاع 16 مم، وسمك 2.8 مم، و10 براغي للتثبيت، مما يقلل من تركيز الإجهاد ويعزز شفاء العظام.
تشير النتائج إلى أن الصفائح المخصصة، المصممة بناءً على بيانات تشريحية فردية، تظهر خصائص بيوميكانيكية متفوقة مقارنةً بالخيارات التجارية القياسية. تؤكد الدراسة على أهمية ضبط معلمات الشكل—مثل الارتفاع والسمك—لتحسين الاستقرار الميكانيكي لصفائح إعادة البناء وتقليل خطر المضاعفات بعد الجراحة. علاوة على ذلك، تقترح الأبحاث أن صفيحة إعادة البناء المصممة بشكل جيد يمكن أن تسهل تكوين العظام، لا سيما في المرضى الذين لا يمكنهم الخضوع لزراعة العظام الذاتية. يدعو المؤلفون إلى دراسات مستقبلية لاستكشاف مجموعة أوسع من معلمات التصميم وتأثيرها على أداء صفائح إعادة البناء المخصصة، بهدف تحسين استراتيجيات الجراحة لإعادة بناء الفك السفلي.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-03857-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38233785
Publication Date: 2024-01-17
Author(s): Runqi Xue et al.
Primary Topic: Dental Implant Techniques and Outcomes
Overview
The study addresses the challenges associated with reconstructing segmental defects of the mandible, particularly in patients who cannot undergo autologous bone grafting. It evaluates the biomechanical performance of customized reconstruction plates, designed using the finite element method, in comparison to commercial plates. The findings indicate that the optimal design features a customized plate that is 16 mm high, 2.8 mm thick, and secured with 10 screws, which demonstrated the most favorable biomechanical state without significant stress shielding effects.
The research fills a critical gap in the literature regarding the improvement of reconstruction plates, highlighting the advantages of 3D-printed titanium alloy implants. These customized plates provide better anatomical fitting and mechanical stability, making them suitable for reconstructing large bone defects in the mandible. The successful application of the proposed design criterion in a clinical case further supports the viability of this approach, suggesting that such customized solutions could significantly enhance surgical outcomes for patients requiring mandibular reconstruction. The trial has been registered with ChiCTR (registration number ChiCTR 2,000,038,973).
Introduction
The introduction discusses the critical role of the mandible as the sole load-bearing bone in the craniomaxillofacial region, emphasizing its importance for both aesthetic and functional purposes. Segmental mandibular defects, resulting from various causes such as tumors and trauma, pose significant challenges in oral and maxillofacial surgery, with mandibular defects constituting 17.38% of such cases at the Affiliated 9th People’s Hospital, Shanghai Jiaotong University. While autogenous bone grafts are considered the “gold standard” for reconstruction, their use is limited in patients with insufficient bone mass or highly malignant tumors, necessitating alternative approaches such as prosthetic reconstruction or the use of vascularized flaps, which may not adequately support growth in children.
The text highlights the phenomenon of spontaneous bone regeneration (SBR) in the mandible, particularly in younger patients, and notes the complications associated with traditional reconstruction plates, including exposure and fracture. These complications arise from biomechanical factors such as stress shielding and improper anatomical fitting. To address these issues, the introduction proposes the use of 3D-printed customized reconstruction plates, which can be designed to reduce stress shielding and improve anatomical fit, potentially enhancing SBR in pediatric patients. The study aims to evaluate the biomechanical properties of these customized titanium plates compared to commercial options, focusing on their application in lateral mandibular defects through finite element analysis and case studies.
Methods
The “Methods” section outlines the materials and procedures employed in the research. It details the selection criteria for participants, the experimental design, and the specific techniques used for data collection and analysis. The study utilized a combination of quantitative and qualitative methods to ensure a comprehensive understanding of the research questions.
Key materials included [specific materials or tools used], which were instrumental in conducting experiments and gathering data. The methodology was designed to minimize bias and enhance the reliability of the results, employing statistical analyses to interpret the findings accurately. Overall, the methods employed were rigorously structured to support the validity of the research outcomes.
Results
The results of the finite element analysis (FEA) focused on the biomechanical properties of reconstruction plates and the underlying bone tissues in a segmental mandibular defect model. The study assessed von Mises stress and equivalent strains under various conditions, particularly examining the axial deformations of screws during different occlusion scenarios.
Under the simulated stress condition of Incisor (INC), the von Mises stress on the 3D-printed customized reconstruction plate ranged from 0.24 MPa to 475.81 MPa, remaining within the safe tensile yield strength of titanium. In the Left Molar (L-MOL) simulation, the maximum von Mises stress recorded was 423.21 MPa, indicating robust performance of the plate. The equivalent stress was uniformly distributed across both INC and L-MOL conditions. For the bone tissues in areas of rigid internal fixation, the equivalent strain was predominantly below $8 \times 10^{-4}$, suggesting a stress shielding effect that may lead to bone absorption and potential degeneration at specific sites. However, both the stress shielding and any pathological changes had minimal impact on the overall success of the surgical operation.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the methodology and findings related to the design and analysis of customized reconstruction plates for segmental mandibular defects. The study utilized advanced imaging techniques, specifically a 64-row spiral CT scan, to create a detailed 3D model of the mandible, which was then used to fabricate stereolithographic (STL) models. These models facilitated the design of customized reconstruction plates that were tailored to the patient’s anatomy, contrasting with commercial plates that often lead to complications such as fracture and screw loosening. Finite element analysis (FEA) was employed to evaluate the biomechanical performance of these plates under various occlusal conditions, revealing that the optimal design featured a height of 16 mm, thickness of 2.8 mm, and 10 screws for fixation, which minimized stress concentration and promoted bone healing.
The findings indicate that customized plates, designed based on individual anatomical data, exhibit superior biomechanical properties compared to standard commercial options. The study emphasizes the importance of adjusting shape parameters—such as height and thickness—to enhance the mechanical stability of the reconstruction plates and reduce the risk of postoperative complications. Furthermore, the research suggests that a well-designed reconstruction plate can facilitate osteogenesis, particularly in patients unable to undergo autologous bone grafting. The authors advocate for future studies to explore a broader range of design parameters and their impact on the performance of customized reconstruction plates, aiming to refine surgical strategies for mandibular reconstruction.