阿依達(dá)娜·烏拉爾別克, 阿曼妮薩罕·加帕爾, 凌 彬,2

(1新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院(附屬口腔醫(yī)院)口腔頜面腫瘤外科, 2新疆維吾爾自治區(qū)口腔醫(yī)學(xué)研究所, 烏魯木齊 830054)

口腔頜面部骨折良好愈合的根本條件是精確復(fù)位和穩(wěn)定固定[1]。理想的固定方式不僅需要良好固定骨折斷端并提供初期穩(wěn)定性,還要避免因內(nèi)固定而引起的合并癥以及二次手術(shù)造成的創(chuàng)傷。1960年,聚乳酸(Ploy lactic acid,PLA)因其較好的機(jī)械強(qiáng)度和可生物降解性而首次應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,作為替代鈦合金的首選材料[2]。近年來,隨著高分子可吸收材料的不斷改進(jìn)和發(fā)展,PLA材料已在骨折內(nèi)固定裝置、縫合材料、組織生長和組織工程支架等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用[3]。PLA有四種異構(gòu)體,其中外消旋聚乳酸(Ploy D,L lactic acid,PDLLA)比其他三種異構(gòu)體在強(qiáng)度和降解速率及生物相容性上更具優(yōu)勢(shì)[4]。

超聲波焊接技術(shù)(Ultrasound/Ultrasonic welding)是通過超聲產(chǎn)熱并使PDLLA固定釘熔融后,進(jìn)入骨松質(zhì)骨小梁結(jié)構(gòu)中,同時(shí)固定釘與可吸收固定板也通過超聲熔融結(jié)合到一起。曾有學(xué)者使用超聲波焊接技術(shù)輔助可吸收材料對(duì)大鼠脛骨進(jìn)行固定,發(fā)現(xiàn)可吸收固定釘通過超聲產(chǎn)熱熔融后依然具有良好的生物安全性[5]。此外,有國外學(xué)者根據(jù)植入材料表面形貌分析研究發(fā)現(xiàn),與其他內(nèi)固定系統(tǒng)表面相比,一種超聲輔助焊接系統(tǒng),即SonicWeld Rx系統(tǒng)所使用銷釘?shù)谋砻娓饣?并且由于SonicWeld Rx系統(tǒng)體積更小(即4孔板的體積為14%),因此可以認(rèn)為超聲焊接系統(tǒng)作為安全的可吸收內(nèi)固定系統(tǒng)具有強(qiáng)大的潛力,以及良好的幾何形狀和機(jī)械性能,可用于固定負(fù)載分擔(dān)頜面骨折和截骨術(shù)[6]。傳統(tǒng)內(nèi)固定技術(shù)往往通過攻絲后將螺釘擰入固定部位中,這不僅要求術(shù)區(qū)視野清晰,并且對(duì)術(shù)者要求較高,有時(shí)更會(huì)出現(xiàn)攻絲滑脫以及斷裂的風(fēng)險(xiǎn),而超聲波焊接技術(shù)操作簡(jiǎn)單、易于掌握,并且大大增加了生物可吸收固定釘?shù)某跏脊潭◤?qiáng)度,將傳統(tǒng)的螺紋-加壓-摩擦的機(jī)械固定方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體滲透固定方式[7]。

本文中通過建立兔下頜骨骨折三維有限元模型,模擬超聲波焊接技術(shù)及傳統(tǒng)內(nèi)固定技術(shù)輔助外消旋聚乳酸(PDLLA)進(jìn)行兔下頜骨內(nèi)固定,通過模擬彎曲實(shí)驗(yàn)以及咬合實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種不同固定方式下可吸收板、可吸收固定釘以及下頜骨位移及應(yīng)力情況進(jìn)行分析,現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及手術(shù)過程健康成年新西蘭大白兔,雄性,2～4月齡,體重3.0～3.5 kg。制取兔下頜骨并造骨折模型:速眠新Ⅱ(0.05 mg/kg)、舒泰50(0.12 mL/kg),混合肌注,麻醉生效后動(dòng)物采取側(cè)臥位,于耳緣靜脈注射20 mL空氣致死,下頜骨及頸部區(qū)域備皮,洗手,碘伏消毒術(shù)區(qū),鋪巾,著手術(shù)衣,距下頜骨下偏內(nèi)緣依次切開皮膚、皮下組織,逐層切開暴露骨面,取出完整下頜骨標(biāo)本,于頦孔后1 cm處造骨折模型,固定后使用生理鹽水沖洗,關(guān)閉術(shù)區(qū),將兔下頜骨處標(biāo)本表面覆蓋生理鹽水紗布,零下20℃保存。本實(shí)驗(yàn)已通過新疆醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)審批(倫理審批號(hào):IACUC-20211224-36)。

1.2 兔下頜骨骨折有限元模型構(gòu)建對(duì)兔下頜骨標(biāo)本使用微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(Micro Computed Tomography Micro-CT)(Leica,德國)掃描圖像數(shù)據(jù)并導(dǎo)入Mimics 21.0軟件中分割閥值、自定義骨取值范圍,得到骨組織初步像素信息,隨后編輯蒙板;人工分離出下頜骨以外的元素,區(qū)分骨組織與肌肉組織,曲面擬合兔下頜骨幾何模型,最終得到兔下頜骨三維模型,如圖1所示。

圖1 兔下頜骨幾何模型

1.2.1 有限元模型網(wǎng)格劃分及材料的力學(xué)參數(shù) 通過查閱文獻(xiàn)后可知皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、牙齒、牙周膜以及PDLLA的楊氏模量、泊松比、單元尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)及單元數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)[8-9],見表1、2。

表1 植入材料

表2 各部分模型組織的材料參數(shù)

1.2.2 邊界條件 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至ansys 17.0軟件中,分別設(shè)置超聲波焊接技術(shù)組(超聲組)及傳統(tǒng)內(nèi)固定技術(shù)組(擰入組)約束關(guān)系,其中超聲組:固定釘與固定板間、固定釘與頜骨間因超聲輔助技術(shù)可將固定釘與固定板進(jìn)行融合,并通過滲透進(jìn)骨小梁中與骨組織緊密結(jié)合在一起,故設(shè)置其為Bonded綁定關(guān)系(即接觸界面焊接在一起,既不能分離也不能滑動(dòng));擰入組:固定釘與固定板間、固定釘與頜骨間僅有接觸,可有少量動(dòng)度,故設(shè)置為No Separation法向不分離關(guān)系(即切向有滑移而法向不分離的接觸類型)。

1.2.3 應(yīng)力和形變分析 本研究中將三維有限元仿真實(shí)驗(yàn)分為彎曲實(shí)驗(yàn)和咬合實(shí)驗(yàn),獲得兩組下頜骨、可吸收固定釘及可吸收固定板的形變?cè)茍D和Von Mises應(yīng)力云圖,對(duì)兩組固定板和固定釘及使用上述兩種方式固定后的下頜骨進(jìn)行應(yīng)力分析及形變分析。

1.3 兔下頜骨骨折有限元仿真根據(jù)課題組前期預(yù)實(shí)驗(yàn)得出,兔下頜骨斷裂所需最小力約為160 N,通過將兔下頜骨骨折兩側(cè)進(jìn)行固定后,于第二前臼齒上方施加160 N垂直加載力(如圖2A所示),從而模擬超聲組以及擰入組彎曲實(shí)驗(yàn)。通過將三維重建模型的顳下頜關(guān)節(jié)以鉸鏈支撐處理,作為兔下頜骨模型的邊界條件[8];根據(jù)國外研究者[10]對(duì)新西蘭大白兔的咀嚼生理研究,其最大咬合力和咀嚼力橫截面相關(guān),約為35 N,因此在此模型中,載荷條件以兔最大咬合力的50%計(jì)算,分別在兔下頜骨的切牙區(qū)和后牙區(qū)給予17.5 N的垂直力來模擬咬合實(shí)驗(yàn)(如圖2B所示)。

A: 彎曲實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綀D; B: 咬合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綀D。

2 結(jié)果

2.1 兩組可吸收固定板、可吸收固定釘以及下頜骨位移分析彎曲實(shí)驗(yàn)中,在垂直載荷力的作用下,兩組固定板最大位移出現(xiàn)在中央釘孔遠(yuǎn)中區(qū)域,其中超聲組固定板最大位移為0.018 9 mm、擰入組固定板最大位移為0.022 4 mm;兩組固定釘最大位移出現(xiàn)在遠(yuǎn)中固定釘靠近骨折線處周圍,超聲組和擰入組固定釘最大位移分別為0.012 5 mm和0.013 3 mm;兩組下頜骨位移分布于髁突及骨折線遠(yuǎn)端,超聲組下頜骨最大位移為0.027 8 mm、擰入組下頜骨最大位移為0.038 8 mm,見圖3。

注： A, 超聲組固定板形變?cè)茍D; B, 擰入組固定板形變?cè)茍D; C, 超聲組固定釘形變?cè)茍D; D, 擰入組固定釘形變?cè)茍D; E, 超聲組下頜骨形變?cè)茍D ;F, 擰入組下頜骨形變?cè)茍D。

咬合實(shí)驗(yàn)中,在全牙列35 N垂直加載力作用下,兩組固定板、固定釘及下頜骨的形變集中于骨折線近中區(qū)域。超聲組固定板應(yīng)力主要集中于遠(yuǎn)中孔洞,最大位移為5.035 mm;擰入組固定板最大位移集中于近中孔洞周圍,其最大位移為8.499 2 mm。超聲組固定釘最大位移為7.069 0 mm,在近中處最明顯,并且固定釘形變平均分布;擰入組固定釘最大位移為7.950 4 mm,形變主要集中于近中固定釘,且集中于釘帽處。兩組下頜骨形變均集中于前牙區(qū),并沿頜骨向骨折線區(qū)域逐步減小,超聲組下頜骨最大位移為21.388 0 mm、擰入組下頜骨最大位移為10.886 0 mm。有限元分析結(jié)果提示,彎曲實(shí)驗(yàn)中,超聲組固定性能在位移方面較擰入組好,但在咬合實(shí)驗(yàn)中,超聲組下頜骨所產(chǎn)生的位移較大,且集中于前牙區(qū),使其穩(wěn)定性降低,使用超聲波焊接技術(shù)將頜骨進(jìn)行固定后,進(jìn)行咀嚼運(yùn)動(dòng)時(shí)固定釘易發(fā)生松動(dòng),見圖4。

注： a, 超聲組固定板形變?cè)茍D; b, 擰入組固定板形變?cè)茍D; c, 超聲組固定釘形變?cè)茍D; d, 擰入組固定釘形變?cè)茍D; e, 超聲組下頜骨形變?cè)茍D; f, 擰入組下頜骨形變?cè)茍D。

2.2 兩組可吸收固定板和可吸收固定釘應(yīng)力情況彎曲實(shí)驗(yàn)中,在垂直載荷的作用下,超聲組及擰入組固定板最大應(yīng)力出現(xiàn)在中央孔洞周圍,超聲組固定板最大應(yīng)力為1.429 MPa、擰入組固定板最大應(yīng)力為1.565 MPa。在彎曲實(shí)驗(yàn)過程中垂直力加載點(diǎn)為骨折線上方第二前臼齒處,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩組固定釘應(yīng)力集中于遠(yuǎn)中固定釘,超聲組遠(yuǎn)中固定釘應(yīng)力自下而上應(yīng)力值逐漸增大、集中于頸部,對(duì)抗其上方垂直向載荷承載下的分離形變,最大等效應(yīng)力為0.174 MPa;而擰入組固定釘所受應(yīng)力均勻分布,最大等效應(yīng)力為0.102 MPa,見圖5。

注: A, 超聲組固定板應(yīng)力云圖; B, 擰入組固定板應(yīng)力云圖; C, 超聲組固定釘應(yīng)力云圖; D, 擰入組固定釘應(yīng)力云圖。

咬合實(shí)驗(yàn)中,在兔下頜骨的切牙區(qū)和后牙區(qū)同時(shí)給予17.5 N的垂直力,超聲組固定板應(yīng)力集中于中央孔洞周圍并向周圍擴(kuò)散,最大應(yīng)力為163.510 MPa;擰入組固定板應(yīng)力同樣集中于中央孔洞,最大應(yīng)力為253.190 MPa。超聲組固定釘在進(jìn)行咀嚼運(yùn)動(dòng)時(shí),隨著咀嚼力增大,其所受應(yīng)力也會(huì)逐漸增加,最大應(yīng)力為7.000 MPa,并集中于固定釘頸部;擰入組固定釘主要分布于骨折線遠(yuǎn)中處固定釘,其最大應(yīng)力為43.807 MPa,見圖6。

注: a, 超聲組固定板應(yīng)力云圖; b, 擰入組固定板應(yīng)力云圖; c, 超聲組固定釘應(yīng)力云圖; d, 擰入組固定釘應(yīng)力云圖。

3 討論

下頜骨骨折好發(fā)部位包括下頜正中聯(lián)合、頦孔、下頜角、髁突頸部,因其所受應(yīng)力較大,故臨床中多使用鈦板進(jìn)行堅(jiān)固內(nèi)固定[11],而可吸收材料多用于受力較小部位。Augat等[12]通過超聲波焊接技術(shù)將乳酸螺釘植入骨模擬材料-聚氨酯中進(jìn)行聚乳酸釘?shù)撵o態(tài)推出試驗(yàn)得出結(jié)論:與標(biāo)準(zhǔn)的3.5 mm AO骨螺釘相比,使用超聲波焊接技術(shù)插入的3.5 mm聚乳酸植入物在高密度聚氨酯材料中提供了比傳統(tǒng)螺釘更強(qiáng)的固定效果。其原理主要在于超聲波焊接技術(shù)的特殊性,在預(yù)備釘?shù)罆r(shí)需與可吸收釘大小相匹配,使材料植入后可與骨界面形成摩擦振動(dòng)產(chǎn)熱,可吸收釘熔融滲入骨小梁中,并使固定釘與固定板進(jìn)一步融合,從而增加接觸面積,以此加強(qiáng)內(nèi)固定材料的穩(wěn)定性。

本實(shí)驗(yàn)通過三維有限元分析了兔下頜骨骨折進(jìn)行固定后的相關(guān)情況,并利用彎曲實(shí)驗(yàn)及咬合實(shí)驗(yàn)?zāi)M下頜骨在受力時(shí)應(yīng)力集中情況,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。其中,醫(yī)學(xué)圖像的三維重建起到了關(guān)鍵作用,它通過計(jì)算機(jī)對(duì)二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D像序列形成的三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將其變換為具有直觀立體效果的圖像來展示人體組織的三維形態(tài),利用一系列的二維切片圖像重建三維圖像模型并進(jìn)行定性、定量分析[13]。

有限元分析模型能夠分析物體間以及物體內(nèi)部復(fù)雜的力學(xué)變化過程,預(yù)測(cè)力學(xué)作用的效應(yīng)[14]。有限元分析在口腔外科學(xué)、口腔種植修復(fù)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛[15],主要包括在頜骨囊腫方塊切除術(shù)術(shù)前進(jìn)行FEA并模擬下頜骨骨折復(fù)位內(nèi)固定以及牙列缺損修復(fù)及種植體修復(fù)的應(yīng)力集中情況等[16-17],Kavanagh等[18]利用三維重建技術(shù)重建健康患者下頜骨,對(duì)其使用一至兩塊鈦板固定外斜線、下頜角等不同方法進(jìn)行有限元分析,比較優(yōu)、缺點(diǎn),這對(duì)頜面外科醫(yī)生術(shù)前的精確分析是有益的。

因此,為驗(yàn)證超聲波焊接技術(shù)的固定性及穩(wěn)定性,我們對(duì)兔下頜骨線性骨折進(jìn)行了三維重建并建立有限元模型。在彎曲實(shí)驗(yàn)及咬合實(shí)驗(yàn)中,對(duì)兩組應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn),超聲組固定釘最大應(yīng)力均小于擰入組,說明在使用超聲焊接技術(shù)對(duì)頜骨線性骨折固定時(shí),因其通過振動(dòng)產(chǎn)熱使固定釘熔融并與固定板以及骨小梁通過三維滲透緊密連接在一起,增加了接觸面積,可充分分散應(yīng)力,避免出現(xiàn)應(yīng)力集中而致固定釘斷裂等情況。

本實(shí)驗(yàn)中使用的超聲骨焊接固定系統(tǒng)為國內(nèi)自主研發(fā)產(chǎn)品,尚未廣泛投入使用,具有價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便、適用于解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜及視野狹小手術(shù)區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)。本研究通過有限元模型模擬兔下頜骨骨折,對(duì)板釘式超聲焊接內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行了力學(xué)分析,在后續(xù)研究中可建立大動(dòng)物上頜骨非承重區(qū)域骨折模型,進(jìn)一步確定其力學(xué)性能。