鈦生物力型下頜骨（BMM）設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、嚴(yán)重的外傷、感染、腫瘤等均會導(dǎo)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(gè)多世紀(jì)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(fù)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(biāo)本外，主要根據(jù)其個(gè)人的臨床經(jīng)驗(yàn)來

2、估計(jì)，其主觀性較強(qiáng)，囚而很難達(dá)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(dǎo)致供區(qū)畸形和功能障礙。目前使用的全異質(zhì)修復(fù)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(fù)缺乏聯(lián)系性，術(shù)后多采用傳統(tǒng)的活動義齒修復(fù)，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(yīng)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(shù)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(xiǎn)，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(yīng)用。目前，在頜面修復(fù)領(lǐng)域，這些問題始終困擾著臨床醫(yī)生和設(shè)計(jì)人員，一旦手術(shù)失敗，二次手術(shù)的困難比初次手術(shù)更復(fù)雜、費(fèi)時(shí)、難度更高，忠者還要遭受二次創(chuàng)傷。因此設(shè)計(jì)一種全新的、符合下頜骨生物力學(xué)特點(diǎn)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(gè)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(xué)角度出發(fā)，應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)對下頜骨缺損的整體結(jié)構(gòu)，

4、含種植基樁孔道，以及固位方式進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，建立生物力型下頜骨(Bio-Mechanical Mandible，BMM)模型，為Ⅱ期動物實(shí)驗(yàn)及臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。探討應(yīng)用反求與快速成型技術(shù)進(jìn)行下頜骨體部缺損整復(fù)設(shè)計(jì)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(yīng)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(shù)，分別構(gòu)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(yīng)力分布特征。(2)應(yīng)用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)對簡化修復(fù)體支架3-DFEM進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)模擬下頜骨體部缺損(3-7)，分別設(shè)計(jì)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(fù)體支架3-DFEM，采用垂直加載方式，分別計(jì)算并比較修復(fù)體支架的應(yīng)力分布情況，優(yōu)化修復(fù)體支架

6、的鏤空設(shè)計(jì)方案，分析并計(jì)算其整體結(jié)構(gòu)、固位結(jié)構(gòu)及其周圍骨質(zhì)的應(yīng)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(shù)前收集豬下頜骨的螺旋CT數(shù)據(jù)，采用快速原形技術(shù)重建出豬的下頜骨實(shí)體模型，并設(shè)計(jì)出一側(cè)下頜骨體部5cm的缺損，應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，形成與缺損部位完全吻合的BMM。通過手術(shù)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(shù)后每月進(jìn)行X線、CT及3-DCT檢查，1.2.3.6月后處死動物

7、，切取標(biāo)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(xué)的方法，分析骨與假體結(jié)合處的結(jié)合強(qiáng)度。 結(jié)果：(1)正常下頜骨的生物應(yīng)力主要沿下頜骨內(nèi)、外斜嵴以及下頜支下緣分布，分別構(gòu)成牙力軌跡及肌力軌跡，兩者之間為應(yīng)力空白帶，下頜皮質(zhì)骨最大應(yīng)力為105MPa，松質(zhì)骨為12.9MPa。(2)修復(fù)體支架(未鏤空方案)整體生物應(yīng)力分布類似于正常下頜骨的生物應(yīng)力分布特征；鏤空孔徑大小對修復(fù)體應(yīng)力改變影響不明顯：1mm鏤空間距會造成明顯應(yīng)

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

9、180 MPa；固位結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈非等強(qiáng)度分布(F=2.87，P=0.0704>0.05)；固位結(jié)構(gòu)周圍骨組織的應(yīng)力分布合理。(5)動物實(shí)驗(yàn)BMM修復(fù)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(shù)后6個(gè)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(jié)合處為骨性結(jié)合，生物力學(xué)測試與健側(cè)無統(tǒng)計(jì)學(xué)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(jié)合處為纖維結(jié)締組織。

10、 結(jié)論：(1)正常下頜骨的生物應(yīng)力分布特點(diǎn)為BMM整體設(shè)計(jì)，即沿主應(yīng)力帶的主承力支架設(shè)計(jì)與沿應(yīng)力空白帶的鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供了力學(xué)依據(jù)；主承力支架寬度設(shè)定為6 mm，肌力覆著區(qū)為2 mm，高度為20 mm。(2)下頜骨修復(fù)支架的整體應(yīng)力分布規(guī)律驗(yàn)證了BMM設(shè)計(jì)思路的合理性；根據(jù)對修復(fù)體鏤空結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)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(shè)計(jì)滿足了整體強(qiáng)度上的

11、要求；從體部缺損假體設(shè)計(jì)中也同時(shí)考察了應(yīng)用拉力螺釘時(shí)不同截骨平面角度對骨-假體系統(tǒng)應(yīng)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(jié)論；同時(shí)體部缺損假體的孔中植入松質(zhì)骨后也可以達(dá)到骨細(xì)胞生長所需的應(yīng)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(shè)計(jì)凸臺。(4)重建板固位方式的BMM設(shè)計(jì)在整體強(qiáng)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(shè)計(jì)，但其固位結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中。(5)利用反求工程軟件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)用動物假體