DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82964-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39753636
تاريخ النشر: 2025-01-03
المؤلف: Bram B. J. Merema وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات ونتائج زراعة الأسنان
نظرة عامة
في سياق إعادة بناء عيوب استمرارية الفك السفلي الكبيرة بعد استئصال الأورام الخبيثة، تبحث هذه الدراسة في حل غير معدني جديد باستخدام زرع بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) مُحسّن من حيث الشكل. تتضمن الطرق التقليدية عادةً لوحات إعادة بناء مصنوعة من التيتانيوم مخصصة للمرضى وطعوم ذاتية، مما يمكن أن يؤدي إلى مضاعفات مثل درع الإجهاد والقيود في الإشعاع بعد الجراحة. يهدف زرع PEEK المطور إلى معالجة هذه القضايا من خلال توفير بديل يتحمل الأحمال ويقلد الخصائص الميكانيكية للعظام البشرية، مما يقلل من خطر المضاعفات المرتبطة بلوحات التيتانيوم.
استخدمت الدراسة جهاز اختبار متخصص، MANDYBILATOR، للتحقق من الأداء الميكانيكي لزرع PEEK تحت ظروف تحميل ثابتة وديناميكية. أظهرت النتائج أن زرع PEEK يمكنه تحمل قوى مشابهة لتلك التي تتعرض لها الفك السفلي السليم، مما يشير إلى إمكانيته كبديل قابل للتطبيق لصفائح التيتانيوم. بالإضافة إلى ذلك، قد تعزز الخصائص الشفافة للأشعة لزرع PEEK المتابعات الشعاعية وتسهيل العلاج الإشعاعي، مما يقدم اتجاهًا واعدًا لإعادة البناء المخصصة للمرضى في الحالات التي لا تكون فيها الطعوم التقليدية ممكنة. بشكل عام، تدعم النتائج الجدوى الميكانيكية لزرعات PEEK في إعادة بناء الفك السفلي، مما قد يؤدي إلى تحسين النتائج السريرية.
طرق
في هذه الدراسة، تم اختيار موضوع ذكر يبلغ من العمر 70 عامًا يعاني من عيب في الفك السفلي من النوع الثاني من براون أو نوع جوير لعمل تحليل مفصل لتصميم الزرع وتحسينه. تم تحديد العيب، الذي يتميز بارتفاع الفك السفلي 22 مم، على أنه عرضة بشكل خاص للفشل بناءً على الأدبيات السابقة. تم إنشاء مساحة التصميم لتحسين الشكل مع تعويضات محددة لتسهيل إغلاق الأنسجة الرخوة. تم تضمين ما مجموعه 23 برغي في البداية في نموذج تحليل العناصر المحدودة (FEA)، مع التركيز على دمج برغي يقلل من الإجهاد وبرغي ساندويتش مزدوج القفل جديد، والذي يوفر دعمًا ثنائي القشرة دون التسبب في امتصاص العظم المحيط.
استخدمت الدراسة نموذج عضلي هجين مستمد من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي لمحاكاة قوى العضلات خلال أوضاع الفك السفلي المختلفة ومواقع العض، مما أدى إلى 48 متجهًا عضليًا فريدًا. تم إجراء تحليل العناصر المحدودة باستخدام Solidworks، مع تحديد شروط حدودية محددة لكل سيناريو تحميل. تم تعريف الخصائص الميكانيكية للمواد المستخدمة، بما في ذلك العظام القشرية والاسفنجية وبراغي التيتانيوم، بناءً على الأدبيات المعتمدة. بعد تحليل العناصر المحدودة، تم إجراء تحسين الشكل باستخدام برنامج ProTOp، بهدف تقليل طاقة الإجهاد عبر 12 سيناريو تحميل. ثم تم الانتهاء من تصميم الزرع المحسن للتصنيع، مما أدى إلى إنتاج زرعين متطابقين من مادة PEEK، والتي تم اختبارها بعد ذلك للأداء الميكانيكي.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في المتغير التابع، مع حساب أحجام التأثير لت quantifying حجم هذا التغيير.
علاوة على ذلك، تتضمن التحليل تمثيلات رسومية توضح الاتجاهات والأنماط الملاحظة في البيانات، مما يعزز الاستنتاجات المستخلصة. تتم مناقشة النتائج في سياق الأدبيات الموجودة، مع التأكيد على آثارها على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول العلاقة بين المتغيرات المدروسة وفعالية التدخل المطبق.
مناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون بديلًا اصطناعيًا جديدًا للعظام، In-VitroBone، وجهاز اختبار ميكانيكي، جهاز اختبار الضغط الأحادي المحوري للفك (MUNACAPP)، لتقييم الخصائص الميكانيكية للفك السفلي المخصص للمرضى (PS). يحاكي جهاز MUNACAPP قوى عضلات رفع الفك السفلي من خلال آلية تحميل مبسطة، بينما يسمح جهاز محاكاة العض (MANDYBILATOR) المطور داخليًا بإجراء تجارب تحميل أكثر دقة تشريحيًا من خلال تكرار اتجاهات العضلات الفردية والقوى. أظهرت التجارب أن الفك السفلي المصنوع من In-VitroBone أظهر فشلًا ميكانيكيًا ضمن 1.5% من القوة الشد النهائية للفك السفلي للمتبرعين، مما يشير إلى أن المادة الاصطناعية هي بديل قابل للتطبيق للتطبيقات الترميمية.
أظهر التحقق من صحة جهاز MANDYBILATOR أنه يمكنه تكرار قوى العضلات وردود الفعل المفصلية بدقة، مع انحراف أقصى قدره 10% عن توقعات تحليل العناصر المحدودة (FEA) على مدى 500,000 دورة من الاختبارات الديناميكية. كشفت التجارب الثابتة والديناميكية أن زرعات PEEK المحسنة من حيث الشكل المستخدمة في إعادة بناء العيوب الاستمرارية في الفك السفلي يمكن أن تتحمل تحميلًا كبيرًا في الجسم الحي، مع أحمال فشل نهائية قابلة للمقارنة مع الفك السفلي السليم. تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات PEEK كمادة للزرعات الترميمية، مما يشير إلى أن عملية تحسين الشكل يمكن أن تعزز تصميم الزرعات لتتناسب بشكل أفضل مع ظروف التحميل المخصصة للمرضى، مما يحسن النتائج السريرية في إعادة بناء الفك السفلي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82964-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39753636
Publication Date: 2025-01-03
Author(s): Bram B. J. Merema et al.
Primary Topic: Dental Implant Techniques and Outcomes
Overview
In the context of reconstructing large mandibular continuity defects following malignancy resection, this study investigates a novel non-metallic solution using a topology-optimized polyetheretherketone (PEEK) implant. Traditional methods typically involve patient-specific titanium reconstruction plates and autogenous grafts, which can lead to complications such as stress-shielding and limitations in postoperative irradiation. The developed PEEK implant aims to address these issues by providing a load-bearing alternative that mimics the mechanical properties of human bone, thereby reducing the risk of complications associated with titanium plates.
The study utilized a specialized testing apparatus, the MANDYBILATOR, to validate the mechanical performance of the PEEK implant under both static and dynamic loading conditions. Results indicated that the PEEK implant can withstand forces comparable to those experienced by an intact mandible, suggesting its potential as a viable substitute for titanium plates. Additionally, the PEEK implant’s radiolucent properties may enhance radiographic follow-ups and facilitate radiotherapy, offering a promising direction for patient-specific reconstructions in cases where traditional grafting is not feasible. Overall, the findings support the mechanical viability of PEEK implants in mandibular reconstruction, potentially leading to improved clinical outcomes.
Methods
In this study, a 70-year-old male subject with a class II Brown’s or Jewer L-type mandibular defect was selected for a detailed analysis of implant design and optimization. The defect, characterized by a mandibular height of 22 mm, was identified as particularly susceptible to failure based on previous literature. The design space for topology optimization was established with specific offsets to facilitate soft tissue closure. A total of 23 screws were initially included in the finite element analysis (FEA) model, with a focus on incorporating a stress-reducing screw and a novel dual locking sandwich-screw, which provides bi-cortical support without inducing resorption in the surrounding bone.
The study employed a hybrid muscle model derived from MRI data to simulate muscle forces during various mandibular orientations and bite positions, resulting in 48 unique muscle vectors. The FEA was conducted using Solidworks, with specific boundary conditions set for each loading scenario. The mechanical properties of the materials used, including cortical and cancellous bone and titanium screws, were defined based on established literature. Following the FEA, topology optimization was performed using ProTOp software, aiming to minimize strain energy across 12 loading scenarios. The optimized implant design was then finalized for manufacturing, leading to the production of two identical implants from PEEK material, which were subsequently tested for mechanical performance.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis. Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the dependent variable, with effect sizes calculated to quantify the magnitude of this change.
Furthermore, the analysis includes graphical representations that illustrate trends and patterns observed in the data, reinforcing the conclusions drawn. The results are discussed in the context of existing literature, emphasizing their implications for future research and practical applications in the relevant field. Overall, the findings contribute valuable insights into the relationship between the studied variables and the effectiveness of the implemented intervention.
Discussion
In this study, the authors developed a novel synthetic bone substitute, In-VitroBone, and a mechanical testing apparatus, the Mandibular UNiAxial Compression testing APParatus (MUNACAPP), to evaluate the mechanical properties of patient-specific (PS) mandibles. The MUNACAPP device simulates mandibular elevator muscle forces through a simplified loading mechanism, while the in-house developed MANdibular DYnamic BIte simulator (MANDYBILATOR) allows for more anatomically accurate loading experiments by replicating individual muscle directions and forces. The experiments demonstrated that In-VitroBone mandibles exhibited mechanical failure within 1.5% of the ultimate tensile force of cadaveric mandibles, indicating that the synthetic material is a viable alternative for reconstructive applications.
The validation of the MANDYBILATOR apparatus showed that it could accurately replicate muscle forces and condylar reactions, with a maximum deviation of 10% from finite element analysis (FEA) predictions over 500,000 cycles of dynamic testing. The static and dynamic experiments revealed that the topology-optimized PEEK implants used for reconstructing continuity defects in mandibles could withstand significant in-vivo loading, with ultimate failure loads comparable to intact mandibles. The study highlights the potential of PEEK as a material for reconstructive implants, suggesting that the topology optimization process can enhance the design of implants to better match patient-specific loading conditions, thereby improving clinical outcomes in mandibular reconstruction.