Questo protocollo basato sul recupero combina microscopia elettronica a scansione, confronto qualitativo con fratture di riferimento semplificate e spettroscopia a raggi X a dispersione energetica. Le fratture della regione corporea mostravano prevalentemente caratteristiche orientate bucco-lingualmente, mentre quelle a regione angolare mostravano orientamento superiore-inferiore, suggerendo che l'ambiente meccanico del cedimento delle placche possa variare a seconda del sottosito anatomico.
Articolo di ricerca
Analisi di recupero di piastre di ricostruzione mandibolare fratturate utilizzando microscopia elettronica a scansione
In questo articolo
Sommario
Abstract
Le placche di ricostruzione mandibolare sono ampiamente utilizzate dopo mandibulectomia segmentaria, ma la frattura delle placche rimane una complicazione significativa. Questo studio presenta un protocollo basato sul recupero che utilizza la microscopia elettronica a scansione (SEM) per caratterizzare la morfologia delle fratture e per dedurre le direzioni specifiche del guasto meccanico specifico del sito nelle placche di ricostruzione mandibolare in titanio. Abbiamo ipotizzato che l'orientamento della superficie della frattura differisse in base alla posizione anatomica della frattura e mostrerebbe somiglianze qualitative con le fratture di riferimento prodotte sotto diverse direzioni di carico. Sono stati identificati sette pazienti con placche fratturate, fornendo nove siti di frattura. Le lastre recuperate sono state pulite, montate ed esaminate dal SEM per identificare i siti di inizio delle crepe, le striature di fatica, i segni di spiaggia e le zone finali di rottura. È stata eseguita una spettroscopia a raggi X a dispersione energetica per valutare la composizione elementare ed escludere anomalie legate alla corrosione. Due piastre di riferimento inutilizzate sono state fratturate manualmente sotto carichi bucco-linguali e superiore-inferiori semplificati, e le loro caratteristiche della superficie di frattura sono state qualitativamente confrontate con quelle dei campioni clinici. Tutti e sei i siti di frattura della regione corporea hanno mostrato prevalentemente caratteristiche superficiali orientate a bucco-linguale, mentre i tre siti di frattura ad angolo mandibolare hanno mostrato prevalentemente orientamento superiore-inferiore. Le fratture della regione del corpo condividevano caratteristiche morfologiche selezionate con la frattura di riferimento bucco-linguale, mentre le fratture della regione angolare mostravano somiglianze con la frattura di riferimento superiore-inferiore. La spettroscopia a raggi X a dispersione energetica ha rilevato principalmente titanio e ossigeno, senza depositi inaspettati evidenti o anomalie composizionali. Questi risultati suggeriscono che l'ambiente meccanico del rotolamento della placca di ricostruzione mandibolare possa differire a seconda del sottosito anatomico. Tuttavia, poiché gli esperimenti di riferimento utilizzavano un campione per condizione di carico, si basavano su carichi manuali non quantificati e non includevano test di fatica ciclica, le somiglianze osservate dovrebbero essere considerate qualitative e generanti di ipotesi piuttosto che prove definitive di meccanismi di carico causale. Sono necessari ulteriori studi quantitativi biomeccanici e computazionali prima che si possano raccomandare strategie specifiche di progettazione o rinforzo specifici per sottosito.
Introduzione
La ricostruzione mandibolare dopo la mandibulectomia segmentaria è essenziale per ripristinare continuità, contorno facciale, masticazione e linguaggio nei pazienti con difetti oncologici o osseiinfettivi 1,2. Le piastre di ricostruzione in titanio portanti restano ampiamente utilizzate perché forniscono stabilità immediata, sono pratiche dal punto di vista chirurgico e possono servire sia come trattamento definitivo sia come soluzione provvisoria prima della ricostruzionesecondaria 3,4. Nonostante questi vantaggi, complicazioni come l'esposizione alle placche, l'allentamento, l'infezione e la frattura continuano a limitare il successo a lungotermine 5,6,7. La frattura della placca è particolarmente importante perché può richiedere un intervento di revisione ed è spesso associata a un deterioramento funzionale e a compromesso dei tessutimolli 5,8,9,10,11. Studi clinici e biomeccanici hanno suggerito che fattori come l'esposizione alle radiazioni, la lunghezza dei difetti, la campata non supportata, il contornaggio delle placche e la strategia di fissazione influenzano il rischio di cedimento12,13,14,15,16. Tuttavia, la direzione esatta delle sollecitazioni che causano la frattura nei diversi sottositi mandibolari rimane insufficientementedefinita 3,5,8,12.
L'analisi frattografica offre un modo diretto per indagare il fallimento dell'impianto a livello di materiale. La frattografia basata sulla microscopia elettronica a scansione (SEM) consente l'identificazione dettagliata delle striature da fatica, dei siti presunti di inizio delle crepe, dei pattern simili a una spiaggia e della morfologia finale della rottura, fornendo così informazioni qualitative sulle condizioni meccaniche associate al cedo 3,8,12. A differenza dei test biomeccanici, che valutano il comportamento strutturale in condizioni di carico controllate, o dell'analisi agli elementi finiti, che stima computazionalmente le distribuzioni di sforzi e deformazioni, la frattografia basata su SEM esamina direttamente le caratteristiche morfologiche conservate sulle superfici di fratturarecuperate 13,14,15,16. Tuttavia, questo approccio è principalmente qualitativo e non può quantificare indipendentemente l'entità del carico in vivo né stabilire un meccanismo unico di carico causale; perciò, è più appropriatamente utilizzato come metodo esplorativo per identificare i modelli di guasto e generare ipotesi biomeccaniche.
Sebbene studi precedenti abbiano esaminato le superfici di frattura delle placche mandibolaricedute 3,8,12, la relazione tra morfologia della frattura e sito anatomico non è stata sistematicamente chiarata. L'obiettivo di questo studio esplorativo di recupero era caratterizzare la morfologia della superficie di frattura delle placche di ricostruzione mandibolare recuperate clinicamente e confrontare le caratteristiche osservate con quelle delle piastre di riferimento fratturate in condizioni di carico bucco-linguale semplificate e superiore-inferiore. Abbiamo ipotizzato che le caratteristiche della superficie di frattura differissero in base alla posizione anatomica della rottura delle placche e mostrassero somiglianze qualitative con le fratture di riferimento prodotte sotto diverse direzioni di carico.
Protocollo
Tutte le procedure che coinvolgevano materiali di origine umana sono state eseguite in conformità con la Dichiarazione di Helsinki e le linee guida istituzionali. Il protocollo dello studio è stato approvato dal Consiglio di Revisione Istituzionale dell'Ospedale Odontoiatrico dell'Università Nazionale di Seoul (IRB No. CDE19001). Poiché si trattava di uno studio retrospettivo che utilizzava dati clinici de-identificati e hardware esaurito recuperato dal database explant, il requisito del consenso informato è stato rimosso dal consiglio. Il flusso di lavoro complessivo dello studio è composto da quattro fasi: identificazione e classificazione clinica delle placche fratturate recuperate, valutazione della superficie di frattura basata su SEM, analisi EDS e confronto qualitativo con fratture generate semplificate. Un flusso di lavoro complessivo dello studio è fornito nella Figura 1. I reagenti e le attrezzature utilizzate sono elencati nella Tabella dei Materiali.
Identificazione dei casi idonei e documentazione delle caratteristiche cliniche, difettose e delle placche
Questo studio retrospettivo di recupero ha incluso pazienti sottoposti a ricostruzione mandibolare con placche di titanio portanti e che successivamente hanno sviluppato fratture di placche da rimuovere. Sono state esaminate cartelle cliniche, cartelle cliniche e immagini radiografiche per documentare l'età del paziente, il sesso, la diagnosi primaria, il lato ricostruito, la localizzazione del difetto, la storia delle radiazioni, l'infezione post-operatoria, la dentizione e le unità occlusale residue, il tempo dalla ricostruzione alla frattura e la localizzazione anatomica della frattura. Sette pazienti hanno contribuito con sette placche recuperate. Due placche avevano due linee di frattura distinte; Pertanto, nove siti di frattura sono stati inclusi nell'analisi frattografica descrittiva. Il paziente e la piastra sono stati considerati unità di campionamento clinico, mentre il singolo sito della frattura è stato utilizzato come unità di descrizione della superficie di frattura. Le località delle fratture erano classificate come parte posteriore del corpo, parte anteriore del corpo o angolo mandibolare. Le variabili relative alle lastre includevano il sistema delle lastre, lo spessore nominale della piastra, la larghezza del foro, il numero e la distribuzione delle viti di fissaggio e la lunghezza della campata non supportata della piastra. Il numero esatto di manovre di piegamento e ricambio intraoperatorio non è stato determinato perché questi dettagli non erano documentati in modo coerente nei registri operatori. Sono state utilizzate radiografie panoramiche per confermare la localizzazione della frattura e correlare i risultati di imaging con i campioni recuperati.
Analisi basata sul SEM della morfologia delle fratture
Dopo la rimozione, ogni piastra fratturata veniva maneggiata con cura per preservare la superficie di frattura. I detriti biologici grossolani venivano delicatamente ridotti risciacquando i campioni con acqua distillata senza raschiare meccanicamente la superficie della frattura. Ogni campione di lastra veniva inserito in un tubo conico da 15 mL contenente sufficiente etanolo al 100% per immergerlo completamente. Il tubo chiuso veniva inserito in un bagno ultrasonico e sonicato per 3 minuti a 37 kHz, 100W e 37 °C. Dopo la sonicazione, il campione veniva rimosso dal tubo e asciugato in una camera ad aria pulita. La stessa procedura di preparazione è stata applicata a tutti i campioni clinici e di riferimento. Non è stata eseguita alcuna lucidatura, linatura o rivestimento metallico conduttivo sulle superfici di frattura. Dopo l'essiccazione in una camera ad aria pulita, i campioni venivano montati su tronchi di alluminio utilizzando nastro di carbonio conduttivo. Entrambe le superfici di frattura opposte sono state inizialmente esaminate a basso ingrandimento quando disponibili. La superficie selezionata per l'imaging dettagliato doveva mostrare regioni di frattura periferiche e centrali visibili, detriti minimi che oscurano le caratteristiche morfologiche, nessun graffio o segno di strumento rilevanti legati al recupero, e nessun schiacciamento, piegamento o deformazione post-frattura sostanziale. Quando entrambe le superfici soddisfacevano questi criteri, entrambe venivano conservate per l'analisi. L'orientamento anatomico è stato determinato abbinando il contorno della placca, la configurazione del foro a vite e la posizione della frattura con i registri operatori e le radiografie panoramiche. La superficie rivolta all'osso era designata come l'aspetto linguale e la superficie opposta come quello buccale, mentre le direzioni superiore e inferiore venivano determinate dalla posizione della placca rispetto al bordo mandibolare. Queste indicazioni venivano segnalate e mantenute durante il montaggio sul tronco in alluminio.
I campioni montati sono stati esaminati utilizzando immagini elettroniche secondarie con un rivelatore secondario a ingrandimenti di 80×, 200×, 400× e 1.000×. Con un ingrandimento di circa l'80×, i ricercatori hanno prima confermato che l'intera superficie di frattura, i margini periferici e la regione centrale di rottura erano adeguatamente visualizzati. La presunta regione di inizio della crepa e la zona finale di sovraccarico sono state poi identificate prima di immagini mirate a 200×, 400× e 1.000×. Le immagini panoramiche sono state acquisite con un ingrandimento di circa l'80× utilizzando una tensione di accelerazione di 10,0 kV, una corrente di sonda di 0,10 nA, un tempo di permanenza di 5,0 μs e una distanza di lavoro di 40,0 mm. Ogni superficie di frattura è stata esaminata sistematicamente dal margine periferico fino alla zona centrale di rottura. Ogni superficie di frattura è stata valutata utilizzando categorie morfologiche predefinite, inclusi il margine presumibilmente iniziale della crepa, l'asse predominante di propagazione della crepa, le marcature simili a striazioni, i motivi simili a quelli di spiaggia, lacerazioni duttili, regioni dall'aspetto fragile e la presunta zona finale di sovraccarico. L'orientamento alla propagazione delle crepe è stato classificato come prevalentemente bucco-linguale, prevalentemente superiore-inferiore, misto o indeterminato. Particolare attenzione è stata data all'orientamento delle caratteristiche di fatica rispetto agli aspetti buccali, linguali, superiori e inferiori della placca, al fine di dedurre la direzione predominante dello stress meccanico. Gli investigatori hanno esaminato autonomamente le immagini prima di condurre una revisione consensuale.
Confronto tra fratture cliniche e fratture di riferimento in condizioni di carico semplificate
Le lastre di ricostruzione non utilizzate dello stesso sistema e delle dimensioni nominali delle piastre recuperate clinicamente venivano utilizzate per generare fratture di riferimento. Una piastra fu testata sotto carico bucco-linguale e un'altra sotto carico superiore-inferiore. Per ogni targa, il punto di carico previsto veniva segnato in anticipo. La piastra veniva poi sostenuta manualmente in posizioni corrispondenti a due fori dal punto di carico segnato su ciascun lato.
Il carico veniva applicato manualmente nel punto segnato fino a quando non si verificava una grave frattura della placca. Per la condizione bucco-linguale, la forza è stata applicata nella direzione bucco-linguale. Per la condizione superiore-inferiore, la forza veniva applicata nella direzione superiore-inferiore.
Queste fratture di riferimento sono state generate per fornire confronti morfologici semplificati piuttosto che per riprodurre l'ambiente di carico complesso e ciclico e multidirezionale sperimentato dalle placche di ricostruzione mandibolare in vivo. Dopo la frattura, tutti i campioni di riferimento hanno subito le stesse procedure di pulizia, montaggio e imaging SEM utilizzate per le placche cliniche recuperate.
Le fratture cliniche e di riferimento sono state confrontate utilizzando le seguenti caratteristiche predefinite: margine presumibilmente iniziale della crepa, orientamento predominante del piano di frattura, asse di propagazione della crepa, orientamento di caratteristiche simili a striazioni o a segni di spiaggia, distribuzione della lacerazione duttile e posizione della presunta zona finale di sovraccarico. Ogni frattura clinica è stata classificata come più simile al modello di riferimento bucco-linguale, più simile al modello di riferimento superiore-inferiore, mista o indeterminata. I disaccordi tra i ricercatori sono stati risolti tramite revisione congiunta e consenso. La valutazione della somiglianza era qualitativa e non aveva l'intento di stabilire un meccanismo unico di carico causale.
Valutazione della composizione elementare tramite spettroscopia a raggi X a dispersione energetica
Durante la microscopia elettronica è stata eseguita una spettroscopia a raggi X a dispersione energetica per valutare la composizione elementare e selezionare evidenze di degrado o contaminazione correlata alla corrosione. La spettroscopia a raggi X a dispersione energetica veniva eseguita utilizzando un rivelatore di deriva al silicio integrato in SEM. Gli spettri venivano acquisiti a una tensione di accelerazione di 20 kV e a una distanza di lavoro di 10,0 mm a un ingrandimento del 1.000×. Una regione rettangolare di interesse è stata posizionata su una porzione relativamente piatta della superficie di frattura, evitando il bordo del campione e i detriti grossolani della superficie. La composizione elementare è stata quantificata dallo spettro acquisito e riportata come percentuale di peso (wt%) e percentuale atomica (at%).
Completamento del protocollo e compilazione degli output finali
Completare la procedura dopo aver confermato che ogni sito di frattura valutabile abbia un set di immagini SEM orientate anatomicamente, una valutazione morfologica completata, una classificazione dell'orientamento per propagazione delle fessure, una classificazione qualitativa per pattern di riferimento e un rapporto di composizione EDS espresso in wt% e at%. Integrare questi output con i relativi dati clinici e radiografici per generare il dataset finale di analisi a livello di campione.
Risultati
Identificazione dei casi idonei e documentazione delle caratteristiche cliniche, difettose e delle placche
Sette pazienti con piastre di ricostruzione mandibolare fratturate sono stati identificati per un'analisi basata sul prelievo. La coorte comprendeva cinque maschi e due femmine, con un'età media di 60,6 anni (intervallo da 30 a 79 anni) al momento della frattura. Le diagnosi sottostanti erano carcinoma a cellule squamose in quattro pazienti, osteomielite in due pazienti e osteosarcoma in un paziente. L'intervallo medio dalla ricostruzione alla frattura della placca è stato di 14 mesi, variando da 2 mesi a 47 mesi. La ricostruzione era stata eseguita sulla mandibola sinistra in tre pazienti e sulla destra in quattro pazienti. I siti di frattura erano distribuiti uniformemente tra tre regioni anatomiche: il corpo posteriore (n = 3), il corpo anteriore (n = 3) e l'angolo mandibolare (n = 3). Erano rappresentati quattro sistemi di piastre di ricostruzione. Le lastre contenevano una mediana di 16 fori (intervallo, 12–16 buchi). Il numero mediano totale di viti di fissaggio era 9 (intervallo, 7–14), con 2–8 viti posizionate sul segmento prossimale e 4–6 viti sul segmento distale. La campata non supportata della lamiera aveva una lunghezza mediana di 6 fori per placche (intervallo, 2–7 fori). Il numero di unità occlusale funzionali variava da quattro a otto, con una mediana di sei unità. Quattro pazienti avevano ricevuto radioterapia, mentre tre no. Al momento della frattura della placca non presentava alcuna infezione post-operatoria o non unione documentata. Specifiche dettagliate per ciascuna piastra, inclusi il produttore e il sistema di piastre, lo spessore nominale, la larghezza del foro, i dettagli di fissazione e la campata non supportata, sono fornite nella Figura 2 e nella Tabella 1.
Analisi basata sul SEM della morfologia delle fratture
La SEM ha rivelato differenze associate al sito nella morfologia osservata della superficie di frattura. Nella regione del corpo mandibolare, tutti e sei i siti di frattura della regione del corpo hanno mostrato un'orientazione prevalentemente buccolinguale delle caratteristiche della superficie di frattura osservate (Figura 3 e Figura 4).
Sono stati osservati segni simili a striazioni e motivi simili a segni di spiaggia ai margini buccali o linguali nelle fratture della regione corporea. Queste caratteristiche erano considerate compatibili con la crescita progressiva delle crepe sotto carichi ripetuti, anche se l'entità e la direzione del carico in vivo non potevano essere determinate solo dalla morfologia. Con l'avanzare della propagazione della crepa attraverso la placca, le regioni periferiche spesso passavano a una morfologia fragile della frattura. Nel gruppo dell'angolo mandibolare, le caratteristiche della superficie di frattura osservate erano prevalentemente orientate lungo l'asse superiore-inferiore (Figura 5).
La presunta regione di inizio della crepa si trovava al margine superiore o inferiore della piastra in 3/3 campioni. Caratteristiche di strappo dattile orientate verticalmente e regioni fragili che si estendono attraverso lo spessore della lastra sono state osservate in 3/3 esemplari. Queste osservazioni erano compatibili con le differenze nella morfologia della frattura associate al sito; tuttavia, la morfologia della frattura da sola non ha potuto stabilire la magnitudine o la direzione causale del carico in vivo (Tabella 2).
Micrografie rappresentative a SEM ad alto ingrandimento e il corrispondente dataset di immagini grezze per ciascun sito di frattura sono forniti nel File Supplementare 1.
Confronto tra fratture cliniche e fratture di riferimento in condizioni di carico semplificate
Il carico veniva applicato manualmente; Pertanto, non sono stati misurati i parametri di forza, spostamento, tasso di carico, carico di frattura e fatica. Due piastre di riferimento furono fratturate, con una piastra assegnata a ciascuna direzione di carico semplificata. Poiché veniva testata una sola lastra per ogni condizione, la riproducibilità sperimentale non poteva essere valutata. Il carico bucco-linguale ha prodotto fratture caratterizzate prevalentemente dall'inizio delle fessure ai margini laterali della placca e da caratteristiche della superficie di frattura orientate lungo l'asse bucco-linguale. Al contrario, il carico superiore-inferiore produceva fratture con inizio di crepa al margine superiore o inferiore della piastra e caratteristiche orientate prevalentemente lungo l'asse superiore-inferiore.
Al confronto qualitativo, le fratture cliniche corpo-regione condividevano più frequentemente caratteristiche morfologiche con le fratture generate sotto carico bucco-linguale. Queste caratteristiche condivise includevano l'inizio della crepa a margine laterale e un orientamento prevalentemente trasversale delle caratteristiche della superficie di frattura. Le fratture cliniche all'angolo mandibolare somigliavano più frequentemente alle fratture di riferimento superiore-inferiore, in particolare per quanto riguarda l'inizio della frattura al margine superiore o inferiore e l'orientamento verticale delle caratteristiche di frattura osservate.
Questi confronti hanno mostrato somiglianze morfologiche qualitative selezionate tra le fratture cliniche e di riferimento. Tuttavia, poiché gli esperimenti di riferimento utilizzavano condizioni di carico semplificate e non riproducevano le forze cicliche e multidirezionali che agiscono sulle lastre di ricostruzione in vivo, le somiglianze osservate furono interpretate come qualitative e generanti ipotesi piuttosto che come prove definitive del meccanismo di carico causale (Figura 6).
Gli esperimenti di riferimento erano confronti qualitativi esplorativi e non erano destinati a fornire una validazione biomeccanica.
Valutazione della composizione elementare tramite spettroscopia a raggi X a dispersione energetica
La spettroscopia a raggi X a dispersione energetica ha dimostrato che titanio e ossigeno rappresentavano le maggiori proporzioni elementari rilevate nelle regioni analizzate. Piccole quantità di carbonio sono state rilevate in cinque pazienti e sodio è stato rilevato in un solo paziente. Non sono stati rilevati depositi elementari inaspettati o anomalie composizionali nei siti analizzati. I valori rappresentano una singola misura di area da ciascuna regione di superficie di frattura selezionata (Tabella 3). Gli spettri EDS completi e i risultati quantitativi grezzi sono forniti nel File Supplementare 1.
Conclusione
Questo studio esplorativo di recupero ha identificato differenze nella morfologia della superficie di frattura tra i siti di fallimento anatomico delle placche di ricostruzione mandibolare. Le fratture della regione corporea mostravano più frequentemente caratteristiche orientate lungo l'asse bucco-linguale, mentre le fratture della regione angolare mostravano più frequentemente caratteristiche orientate lungo l'asse superiore-inferiore. Le fratture di riferimento generate manualmente mostravano somiglianze qualitative selezionate con i corrispondenti campioni clinici, ma servivano solo come comparatori esplorativi e non erano destinate a validare biomeccanica. Poiché non sono stati ottenuti parametri quantitativi di forza, spostamento, tasso di carico o test di fatica, e poiché il modello sperimentale non ha riprodotto in vivo l'ambiente complesso di carico ciclico e multidirezionale della mandibola, queste osservazioni devono essere interpretate come generanti di ipotesi piuttosto che causali. Questi risultati suggeriscono la possibilità che l'ambiente meccanico associato al rotolo delle placche possa variare a seconda del sottosito anatomico. Ulteriori studi che incorporino test standardizzati di fatica ciclica, misurazioni quantitative di forze e spostamenti, coorti omogenee più ampie e analisi agli elementi finiti sono necessari prima di poter raccomandare strategie di rinforzo specifiche per sito.
DISPONIBILITÀ DEI DATI:
Tutti i dati generati o analizzati in questo studio sono inclusi nel manoscritto e nei suoi file supplementari. Sono fornite immagini SEM ad alto ingrandimento rappresentative, dataset di immagini grezze, spettri di spettroscopia a raggi X a dispersione energetica e output quantitativi grezzi come materiali supplementari. Le immagini SEM grezze, gli spettri EDS, i risultati quantitativi e il dataset analitico de-identificato sono disponibili pubblicamente su Zenodo al DOI: 10.5281/zenodo.20744888.
Figura 1: Flusso di lavoro complessivo dello studio frattografico basato sul recupero. Sono stati identificati casi clinici con fratture di placche di ricostruzione mandibolare e le placche recuperate sono state caratterizzate in base alla posizione della frattura, alla configurazione della placca e della fissazione, alla lunghezza non supportata, alle unità occlusale funzionali, all'esposizione alla radioterapia e allo stato di infezione o non unione. I campioni recuperati sono stati puliti, montati ed esaminati utilizzando il SEM per valutare la morfologia della superficie di frattura e la spettroscopia a raggi X a dispersione energetica per caratterizzare la composizione elementare. Due piastre di riferimento inutilizzate sono state fratturate manualmente in condizioni semplificate di carico bucco-linguale e superiore-inferiore. Le superfici di frattura cliniche e di riferimento sono state confrontate qualitativamente utilizzando criteri morfologici predefiniti, inclusi il margine presunto di inizio della crepa, l'orientamento del piano di frattura, l'asse di propagazione, le caratteristiche simili a striazioni o tracce di spiaggia, lo strappo duttile e la zona finale di sovraccarico. Il confronto era inteso a generare ipotesi su possibili ambienti meccanici dipendenti dal sito e non è stato considerato una validazione biomeccanica quantitativa. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Localizzazione anatomica delle fratture cliniche nelle placche di ricostruzione mandibolare recuperate. Radiografie panoramiche di sette pazienti (A–G) che mostrano le posizioni anatomiche delle fratture della placca di ricostruzione mandibolare. I siti di frattura sono stati identificati nella parte posteriore del corpo (A, D, E), nella parte anteriore del corpo (C, D, G) e nell'angolo mandibolare (B, F, G). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Micrografie elettroniche a scansione di fratture cliniche nelle fratture del corpo mandibolare posteriore. (A,B) Superfici di frattura dei Pazienti 1 e 5 che mostrano propagazione della criccia buccale-linguale con striature da fatica concentrica. (C) Superficie di frattura del Paziente 4 che mostra caratteristiche a orientamento bucco-linguale con regioni di lacerazione duttile e di aspetto fragile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Micrografie elettroniche a scansione delle fratture cliniche nelle fratture del corpo mandibolare anteriore. (A) Superficie di frattura del Paziente 3 che mostra caratteristiche direzionali miste buccale-linguale e linguale-bucale con segni simili a striazioni e motivi simili a segni da spiaggia. (B) Superficie di frattura del Paziente 4 che mostra caratteristiche orientate lingualmente-bucale con regioni di lacerazione duttile e di aspetto fragile. (C) Superficie di frattura del Paziente 7 che mostra caratteristiche orientate bucco-lingualmente con motivi simili a segni di spiaggia. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Micrografie elettroniche a scansione di fratture cliniche nelle fratture ad angolo mandibolare. (A) Superficie di frattura del Paziente 2 che mostra caratteristiche orientate inferiore-superiore con segni simili a striazioni. (B,C) Superfici di frattura dei Pazienti 6 e 7 che mostrano caratteristiche orientate inferiore-superiormente con una combinazione di lacerazione duttile e regioni dall'aspetto fragile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Superfici di frattura di riferimento generate in condizioni di carico semplificate. (A) frattura di riferimento generata sotto carico bucco-linguale e (B) frattura di riferimento generata sotto carico superiore-inferiore. Le frecce indicano l'orientamento predominante delle caratteristiche della superficie di frattura osservate. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Pazienti | Sesso | Età | Diagnosi | Side | Regione di difetto | Sistema a placche | Spessore (mm) | Foro per la vite (mm) | Totale dei fori per placche | Viti di fissaggio, totali (prossimali/distali) | Un Campata sostenuta (numero di fori) | Funct Unità occlusale ionali, n | Radio Terapia | Infezione o non sindacato | Periodo della frattura della placca (mesi) | |
| 1 | M | 36 | SCC | Tenente | Parte posteriore del corpo | Matrice di titanio Piastra di ricostruzione MANDIBILE (DePuy Synthes) | 2.8 | 2.4 | 15 | 8 (4/4) | 7 | 6 | Sì | No | 20 | |
| 2 | M | 76 | SCC | Tenente | Angolo | Piastra di ricostruzione universale a 2 mandibole (Stryker Leibinger) | 2.8 | 2.3 | 16 | 10 (5/5) | 6 | 4 | Sì | No | 10 | |
| 3 | F | 30 | Osteosarcoma | Rt | Corpo anteriore | Piastra di ricostruzione universale a 2 mandibole (Stryker Leibinger) | 2.8 | 2.3 | 13 | 7 (2/5) | 6 | 8 | Sì | No | 47 | |
| 4 | M | 70 | SCC | Rt | Parte posteriore del corpo | Piastra di ricostruzione universale a 2 mandibole (Stryker Leibinger) | 2.8 | 2.3 | 16 | 11 (6/5) | 5 | 6 | Sì | No | 12 | |
| Corpo anteriore | ||||||||||||||||
| 5 | M | 74 | Osteomielite | Tenente | Parte posteriore del corpo | Matrice di titanio Piastra di ricostruzione MANDIBILE (DePuy Synthes) | 2.8 | 2.4 | 12 | 7 (3/4) | 5 | 8 | No | No | 2 | |
| 6 | F | 79 | Osteomielite | Rt | Angolo | Piastra di ricostruzione della mandibola OPTIMUS (Osteonica) | 2.6 | 2.4 | 16 | 14 (8/6) | 2 | 8 | No | No | 3 | |
| 7 | M | 59 | SCC | Rt | Angolo | Placca di ricostruzione mandibola Universa 2 (Stryker) | 2.8 | 2.3 | 16 | 9 (4/5) | 7 | 6 | No | No | 4 | |
| Corpo anteriore | ||||||||||||||||
Tabella 1: Caratteristiche cliniche, ricostruttive e dell'impianto delle placche di ricostruzione mandibolare recuperate. Riepilogo del sesso del paziente, età, diagnosi, produttore e sistema della placca, profilo nominale della piastra (spessore, foro della vite), lato mandibolare ricostruito, localizzazione della frattura, numero totale di fori per placche, numero e distribuzione delle viti di fissazione, apertura della placca non supportata, unità occlusale funzionali, storia radioterapica, infezione o stato non sindacale e tempo dalla ricostruzione alla frattura della placca. Le unità occlusale funzionali sono state definite come contatti opposti mascellare–mandibolare nelle regioni molare, premolare e anteriore, con ogni unità di contatto conteggiata una volta.
| Paziente n. | Sito anatomico della frattura | Direzione di propagazione della frattura | Morfologia della frattura |
| 1 | Parte posteriore del corpo | Buccal à Lingual | Striazioni concentriche |
| 2 | Angolo | Inferior à Superior | Striazioni e segni sulla spiaggia |
| 3 | Corpo anteriore | Buccal à Lingual | Segni della spiaggia |
| Lingual à Buccal | |||
| 4 | Parte posteriore del corpo | Buccal à Lingual | Duttile e fragile |
| Corpo anteriore | Lingual à Buccal | Duttile e fragile | |
| 5 | Parte posteriore del corpo | Lingual à Buccal | Striazioni concentriche |
| 6 | Angolo | Inferior à Superior | Duttile e fragile |
| 7 | Angolo | Inferior à Superior | Duttile e fragile |
| Corpo anteriore | Buccal à Lingual | Segni della spiaggia |
Tabella 2: Ritrovamenti frattografici di lastre di ricostruzione mandibolare fratturate osservati tramite microscopia elettronica a scansione. Riepilogo del sito anatomico della frattura, direzione di propagazione della crepa e morfologia dominante della frattura per ciascuna superficie di frattura analizzata.
| Ti | O | C | Na | ||||||
| Paziente n. | Percentuale di Norma di massa | Atom % | Percentuale di Norma di massa | Atom % | Percentuale di Norma di massa | Atom % | Percentuale di Norma di massa | Atom % | |
| 1 | 75.85 | 51.2 | 24.15 | 48.8 | |||||
| 2 | 90.25 | 75.58 | 9.75 | 24.42 | |||||
| 3 | 57.77 | 30.29 | 24.95 | 39.15 | 11.72 | 24.5 | 5.56 | 6.07 | |
| 4 | 81.45 | 58.77 | 16.94 | 36.58 | 1.62 | 4.65 | |||
| 5 | 84.79 | 62.52 | 9.87 | 21.78 | 5.34 | 15.7 | |||
| 6 | 84.4 | 62.8 | 12.29 | 27.37 | 3.31 | 9.83 | |||
| 7 | 74.8 | 47.09 | 16.53 | 31.14 | 8.67 | 21.76 | |||
Tabella 3: Composizione elementare delle piastre di ricostruzione mandibolare fratturate determinata da spettroscopia a raggi X a dispersione energetica. La composizione elementare è riportata come percentuale di peso normalizzata (wt%) e percentuale atomica (at%) ottenuta tramite analisi EDS a 20 kV e a una distanza di lavoro di 10,0 mm.
File supplementare 1: Analisi spettroscopia a raggi X a dispersione energetica dai pazienti 1–7. Le immagini di microscopia elettronica a scansione mostrano le regioni selezionate di interesse per l'analisi EDS, con le relative tabelle di spettri e composizione elementare. Il titanio era l'elemento predominante in tutti i campioni, accompagnato da ossigeno, coerente con la formazione di ossido di titanio sulla superficie della placca. Carbonio è stato rilevato nei pazienti 3–7, e sodio nel paziente 3. Clicca qui per scaricare questo file.
Discussione
Questo studio esplorativo propone un protocollo basato sul recupero che combina SEM, carico comparativo di riferimento e spettroscopia a raggi X a dispersione energetica per caratterizzare la morfologia della superficie di frattura ed esplorare i modelli direzionali associati al sito nelle placche di ricostruzione mandibolare fratturate. Studi precedenti hanno identificato la fatica come un meccanismo principale del rotolamento delle placche di ricostruzione mandibolare tramite analisi dirette di materiali efrattografiche 3,8,12. Altri studi si sono concentrati principalmente sui fattori di rischio clinici, sulla progettazione delle placche, o sulla valutazione computazionale e biomeccanica da banco 9,10,11,13,14,15,16,17. Nel presente studio, le caratteristiche della superficie della frattura differivano in base alla posizione anatomica della frattura. Le fratture della regione corporea mostravano più frequentemente caratteristiche orientate lungo l'asse bucco-linguale, mentre le fratture della regione angolare mostravano più frequentemente caratteristiche orientate lungo l'asse superiore-inferiore. Esperimenti semplificati di carico di riferimento hanno prodotto caratteristiche morfologiche selezionate qualitativamente simili a quelle osservate nei corrispondenti campioni clinici. Questi risultati suggeriscono che l'ambiente meccanico predominante di rottura delle placche possa variare a seconda del sottosito anatomico, anche se non stabiliscono un meccanismo unico di carico causale.
Le differenze osservate offrono una possibile estensione del concetto generale di cedimenti delle placche legati alla fatica. Nel corpo mandibolare, le fratture si propagavano prevalentemente nella direzione buccolinguale, suggerendo una vulnerabilità allo stress di flessione laterale. Tuttavia, gli esperimenti di frattura di riferimento erano progettati esclusivamente per confronti morfologici qualitativi e esplorativi e non erano destinati alla validazione biomeccanica. Poiché il carico veniva applicato manualmente, non sono state ottenute misurazioni quantitative di forza, spostamento, velocità di carico, carico di frattura o parametri di prova per la fatica. Inoltre, il modello non ha riprodotto l'ambiente di carico complesso e ciclico, multidirezionale e specifico per il paziente vissuto dalle piastre di ricostruzione mandibolare in vivo. Di conseguenza, le somiglianze osservate devono essere interpretate solo come schemi che generano ipotesi e che richiedono conferma tramite test biomeccanici standardizzati.
Se confermata in studi più ampi e controllati, la variazione anatomica nell'ambiente meccanico potrebbe avere implicazioni per la progettazione delle lastre di ricostruzione. Le strategie potenziali potrebbero includere la modifica regionale della rigidità della placca, la geometria della sezione trasversale, lo spessore della lastra o il rinforzo supplementare. Tuttavia, i risultati attuali non sono sufficienti a raccomandare una particolare configurazione di placche specifica per il sottosito. Tali raccomandazioni richiederebbero test comparativi che tengano conto della lunghezza dei difetti, apertura della placca non supportata, metodo di fissazione, rimodellamento della placca, supporto osseo residuo e condizioni di carico specifiche per paziente 11,13,14,15,16,17.
La spettroscopia a raggi X a dispersione energetica ha rilevato titanio e ossigeno come elementi dominanti, con piccole e incoerenti quantità di carbonio e sodio in un sottoinsieme di campioni. Questi segnali minori sono più probabilmente attribuibili a ossidazione superficiale, contaminanti adsorbiti o residui fisiologici piuttosto che a una vera alterazione dellalega 18,19,20,21. Non sono stati identificati depositi elementari inaspettati o anomalie composizionali marcate nelle regioni analizzate. Tuttavia, la spettroscopia a raggi X a dispersione energetica fornisce informazioni elementari localizzate e non può escludere indipendentemente corrosione localizzata, fretting, tribocorrosione o altri processi di degradazionesuperficiale 18,19,20,21. Pertanto, i risultati della spettroscopia a raggi X a dispersione energetica non devono essere interpretati come prove definitive che la degradazione chimica non abbia avuto alcun ruolo nel cedimento delle placche. Piuttosto, i risultati frattografici erano più compatibili con il guasto meccanico progressivo, mentre il contributo relativo dei processi correlati alla corrosione rimane incerto.
La frattografia basata sul recupero ha diversi punti di forza. Esamina direttamente impianti che hanno fallito nella pratica clinica e consente l'identificazione di potenziali regioni di inizio della crepa, caratteristiche di propagazione e zone finali di rottura. Può anche collegare la morfologia della frattura a informazioni cliniche e anatomiche senza fare affidamento interamente su condizioni di carico presunte. Tuttavia, l'analisi del recupero non può ricostruire l'intera storia di carico di un impianto né quantificare la magnitudine, la frequenza e la direzione delle forze che agiscono prima del guasto. La superficie di frattura osservata può anche riflettere gli effetti combinati del contouring delle placche, del carico ripetuto, della concentrazione locale di stress, dell'esposizione biologica, dell'esplantatione e della preparazione del campione.
Diversi passaggi del protocollo sono fondamentali per la qualità e l'affidabilità dell'analisi frattografica. La superficie della frattura dovrebbe essere protetta da raschiamenti e contatti con gli strumenti durante il recupero e pulita delicatamente senza abrasione meccanica, poiché contaminazioni e danni secondari potrebbero oscurare le caratteristiche legate alla fatica. L'orientamento anatomico deve essere stabilito prima del montaggio correlando il contorno della piastra e la configurazione a foro a vite con i risultati operatori e radiografici; i campioni con orientamento incerto dovrebbero essere classificati come indeterminati. L'esame a basso ingrandimento dell'intera superficie di frattura dovrebbe precedere l'imaging mirato ad alto ingrandimento per preservare la relazione spaziale tra la presunta regione di iniziazione, le caratteristiche di propagazione e la zona finale di rottura. Un montaggio conduttivo sicuro e una corretta regolazione della distanza di lavoro e delle condizioni di scansione possono ridurre la carica e gli artefatti di messa a fuoco. Per l'analisi EDS, si devono evitare le regioni vicino ai bordi del campione, nastro di carbonio o detriti visibili per minimizzare i segnali elementarifuorvianti 18. Condizioni di imaging coerenti, categorie morfologiche predefinite e revisioni indipendenti seguite da consenso sono importanti per ridurre la variabilità interpretativa, e le fratture con caratteristiche oscurate o ambigue non dovrebbero essere assegnate a una categoria di riferimento direzionale.
I vantaggi pratici del protocollo includono l'uso di impianti recuperati clinicamente, una preparazione minima di campioni distruttivi, l'integrazione di dati clinici, radiografici, morfologici ed elementali, e un flusso di lavoro standardizzato da basso a alto ingrandimento (da basso a alto). Il metodo può essere implementato in laboratori con accesso a apparecchiature convenzionali SEM ed EDS senza richiedere un sistema di test meccanico dedicato. Procedure predefinite di orientamento, imaging e classificazione possono anche migliorare la riproducibilità tra campioni e investigatori. Tuttavia, l'accessibilità rimane dipendente dalla disponibilità di competenze SEM e dalla gestione appropriata del recupero.
L'analisi agli elementi finiti e i test standardizzati di fatica forniscono informazioni complementari. L'analisi agli elementi finiti può stimare le distribuzioni di sforzi e deformazione e valutare gli effetti della geometria dei difetti, della progettazione delle lastre, della configurazione della fissazione e delle ipotesi di carico 13,16,17. Tuttavia, i suoi risultati sono sensibili alle ipotesi riguardanti le forze muscolari, il contatto occlusale, le proprietà dei materiali, le condizioni al contorno e l'interazione osso-impianto13,16. Il test di fatica ciclico da banco può fornire misurazioni quantitative come la rigidità del costrutto, i cicli fino al guasto, la resistenza alla fatica e il carico di rottura in condizionistandardizzate 13,15. Tuttavia, tali esperimenti semplificano necessariamente l'ambiente variabile di carico biologico, anatomico e multidirezionale incontrato in vivo. La frattografia basata sul recupero, l'analisi agli elementi finiti e il test di fatica dovrebbero quindi essere considerati approcci complementari piuttosto che intercambiabili.
Questo protocollo può essere utile in molteplici aree della ricerca sui craniosassillofaciali. Può facilitare il confronto tra placche convenzionali e specifiche per il paziente, supportare la validazione delle previsioni agli elementi finiti tramite impianti recuperati e aiutare a identificare quali sottositi mandibolari sono più vulnerabili in diversi contestiricostruttivi 11,13,14,15,16,17 . Inoltre, può aiutare nello sviluppo di strategie di ricostruzione ibrida che combinano placche con innesti ossei vascolarizzati, segmenti di condivisione del carico o barre supplementari in regioni meccanicamenteimpegnative 1,2,13,14,15.
Devono essere riconosciute diverse limitazioni. Innanzitutto, si trattava di un piccolo studio retrospettivo di recupero su sette pazienti e nove siti di frattura, con due placche che contribuivano ciascuna con due linee di frattura; Pertanto, alcune osservazioni non erano statisticamente indipendenti e i risultati potrebbero non essere generalizzabili. La coorte era inoltre eterogenea per quanto riguarda diagnosi, localizzazione dei difetti, esposizione alla radioterapia, unità occlusale funzionali, apertura della placca non supportata, configurazione della fissazione e sistema delle placche. Differenze nello spessore della placca, nel profilo della sezione trasversale, nella geometria del foro, nella lavorazione del materiale e nel design specifico del produttore possono aver influenzato la concentrazione di stress e la morfologia della superficiedi frattura 11,13,14,15,16. A causa della coorte piccola ed eterogenea, gli effetti del sito anatomico non potevano essere separati da quelli del sistema di placche.
In secondo luogo, il numero, la posizione e l'estensione delle manovre di piegamento o ricambio intraoperatorio non sono stati documentati in modo coerente. Un ridefinimento ripetuto può introdurre sollecitazioni residue o indebolimento meccanico locale e potrebbe quindi aver contribuito al rotolodella placca 16.
In terzo luogo, il modello di riferimento per la frattura è stato fortemente semplificato. Pertanto, gli esperimenti di riferimento non devono essere interpretati come una validazione biomeccanica delle direzioni di carico dedotte dalle superfici di frattura cliniche. Fu testata una sola lastra inutilizzata per ogni direzione di carico, e il carico veniva applicato manualmente e in modo monotono senza misurazione quantitativa di forza, spostamento, tasso di carico o carico di frattura. La riproducibilità non poteva essere valutata e il modello non riproduceva le forze cicliche, multidirezionali e specifiche del paziente presenti in vivo. Di conseguenza, le fratture sperimentali servivano solo come riferimenti morfologici qualitativi.
In quarto luogo, il confronto tra fratture cliniche e di riferimento si basava sulla valutazione qualitativa delle caratteristiche frattografiche predefinite. Sebbene le immagini siano state esaminate indipendentemente e i disaccordi siano stati risolti per consenso, l'interpretazione è rimasta in parte soggettiva e la morfologia della frattura da sola non può determinare in modo unico l'entità o la direzione del carico causale.
Infine, la spettroscopia SEM e la spettroscopia a raggi X a dispersione energetica forniscono informazioni strutturali ed elementari localizzate ma non possono ricostruire l'intera storia meccanica, biologica o chimica degli impianti18. L'assenza di marcate anomalie composizionali non esclude corrosione localizzata, fretting, tribocorrosione o interazioni tra degrado superficiale efatica 19,20,21. Questi risultati dovrebbero quindi essere considerati esplorativi e generatori di ipotesi e richiedono conferma tramite coorti di recupero più ampie, test standardizzati di fatica ciclica, misurazioni meccaniche quantitative e analisi agli elementi finiti specifici per il paziente.
Gli studi futuri dovrebbero integrare frattografia basata sul recupero con la geometria specifica del paziente, i dati di carico funzionale e le variabili di progetto ricostruttiva. Coorti di recupero multicentrici più grandi possono chiarire se particolari schemi di difetto o strategie di fissazione predispongano a fallimento dominante dal corpo o dall'angolo dominante. Nel complesso, queste osservazioni forniscono una base per future indagini su se il rinforzo specifico per sottosito possa essere benefico, ma non supportano direttamente una particolare strategia di progettazione delle placche.
Dichiarazioni
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto dal New Faculty Startup Fund dell'Università Nazionale di Seoul (n. 860-20250053). Gli autori ringraziano lo staff dell'Ospedale Odontoiatrico dell'Università Nazionale di Seoul per l'assistenza nella gestione dei campioni e nel supporto per l'imaging.
Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Energy-dispersive X-ray spectroscopy detector (Apreo 2) | Thermo Fisher Scientific | Part No. 1229004 | Rivelatore di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (Apreo 2) |
| OPTIMUS Mandible Reconstruction Plate | Osteonic | MST326M17 | Piastrina di ricostruzione mandibolare OPTIMUS |
| Scanning electron microscope (Apreo 2) | Thermo Fisher Scientific | Part No. 1229004 | Microscopio elettronico a scansione (Apreo 2) |
| Titanium MatrixMANDIBLE Reconstruction Plate | DePuy Synthes | 04.503.739 | Piastrina di ricostruzione mandibolare Titanium MatrixMANDIBLE |
| Ultrasonic bath | SHARP | UT-106 | Bagno ultrasonico |
| Universal 2 Mandible Reconstruction Plate | Stryker Leibinger | 55-28922 55-28920 | Piastrina di ricostruzione mandibolare Universal 2 |
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