走査型電子顕微鏡を用いた下顎骨折再建板の検索解析

サマリー

この回収型プロトコルは、走査型電子顕微鏡、簡略化された基準破壊を用いた質的比較、エネルギー分散型X線分光法を組み合わせています。体域骨折は主に頬舌方向の特徴を示し、角部骨折は上下方向の向きを示し、板破損の機械的環境は解剖学的部位によって異なる可能性を示唆しています。

要約

下顎再建プレートは節節下顎摘出術後に広く使われますが、プレート骨折は依然として重大な合併症です。本研究は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて破砕形態を特徴づけ、チタン下顎再建板における部位特異的な機械的破壊方向を推定する回収ベースのプロトコルを提示します。私たちは、破壊面の向きは解剖学的な破壊位置によって異なり、異なる荷重方向で生じた基準破壊と質的な類似性を示すと仮説を立てました。椎板骨折の患者7名が確認され、骨折部位は9箇所ありました。回収されたプレートは清掃され、取り付けられ、SEMで検査され、亀裂開始部位、疲労ストライエーション、ビーチマーク、最終破裂ゾーンを特定しました。エネルギー分散型X線分光法を用いて元素組成の評価と腐食関連の異常を排除しました。未使用の2枚の基準プレートは、単純化された頬舌側および上下下荷重のもとで手動で破砕され、その破断面の特徴は臨床標本と質的に比較されました。6つの体域骨折部位すべてで主に頬舌方向の骨折面特徴が認められたのに対し、3つの下顎角骨折部位は主に上下向きの向きを示した。体域骨折は頬舌側参照骨折と特徴的に共通し、角部骨折は上下基準骨折と類似した特徴を示した。エネルギー分散型X線分光法では主にチタンと酸素を検出し、予期せぬ堆積や組成異常は認められませんでした。これらの所見は、下顎再建板の破壊の機械的環境が解剖学的サブサイトによって異なる可能性を示唆しています。しかし、参照実験は1つの荷重条件下で1個の試料を使用し、手動で定量化されていない荷重に依存し、循環疲労試験を含まなかったため、観察された類似性は因果荷重機構の決定的な証拠というよりは定性的かつ仮説形成的なものとみなすべきです。サブサイト特異的なプレート設計や補強戦略を推奨する前に、さらなる定量的な生体力学的および計算的研究が必要です。

概要

下顎分割切除術後の下顎再建は、腫瘍性または感染性骨欠損の患者において連続性、顔面輪郭、咀嚼、発話の回復に不可欠です^1,2。荷重支えチタン再建プレートは即時の安定性を提供し、外科的に実用的であり、決定的な治療や二次^再建前の暫定的な解決策として使われるため、広く使われ続け^{ています。}これらの利点にもかかわらず、プレート露出、緩み、感染、骨折などの合併症が長期^{的な成功を}制限し続けています。板骨折は特に重要で、再手術が必要になることがあり、機能の悪化や軟部組織の損傷と関連していることが多い5,8,9,10,11。臨床および生体力学的研究では、放射線被曝、欠損長、支持不全幅、板の輪郭、固定戦略などの要因が失敗リスクに影響を与えることが示唆されています12,13,14,15,16。しかし、異なる下顎サブ部位で骨折を引き起こす応力の正確な方向性は、3,5,8,12 に不十分に定義されていません。

フラクトグラフィー解析は、材料レベルでインプラントの破損を直接調査する方法を提供します。走査型電子顕微鏡(SEM)に基づく破面解析は、疲労条痕、亀裂開始地点と推定される場所、ビーチマーク状パターン、最終破壊形態の詳細な同定を可能にし、破壊に関連する機械的条件に関する質的情報を提供します。^3,8,12。制御された荷重条件下で構造挙動を評価する生体力学的試験や、応力やひずみ分布を計算的に推定する有限要素解析とは異なり、SEMベースの断面法は回収された破壊面13,14,15,16の形態学的特徴を直接検証します。しかし、このアプローチは主に定性的であり、in vivo負荷の大きさを独立して定量化したり、独自の因果負荷機構を確立したりすることはできません。したがって、故障パターンの特定や生体力学的仮説の生成のための探索的手法として最適に使用されます。

過去の研究では下顎板^3,8,12の破損した骨折面が調査されてきましたが、骨折形態と解剖部位の関係は体系的に明確にされていません。この探索的採集研究の目的は、臨床的に回収された下顎再建板の骨折面形態を特徴づけ、単純化された頬舌側および上下荷重条件下で断裂した参照プレートと観察された特徴を比較することでした。私たちは、断裂面の特徴は板の破壊の解剖学的位置によって異なり、異なる荷重方向で生じた基準破壊と質的な類似性を示すと仮説を立てました。

プロトコル

ヒト由来の物質を用いるすべての処置は、ヘルシンキ宣言および機関のガイドラインに従って実施されました。この研究プロトコルはソウル大学歯科病院の倫理審査委員会(IRB番号)によって承認されました。CDE19001)。この研究は、非識別化された臨床データとエクスプラントデータベースから取得した移植されたハードウェアを用いた後ろ向き研究であったため、委員会はインフォームドコンセントの要件を免除しました。研究全体のワークフローは4つの段階で構成されていました:回収した骨折板の同定および臨床分類、SEMに基づく骨折面評価、EDS解析、そして簡略化された骨折との質的比較です。全体の研究ワークフローは 図1に示されています。試薬および使用機器は 材料表に記載されています。

適格症例の特定および臨床、欠損、プレートの特徴の記録

この後ろ向き採出試験には、荷重を支えるチタンプレートを用いた下顎再建術を受け、その後プレート骨折を発症し摘出が必要となった患者が含まれていました。臨床記録、手術記録、X線画像を用いて、患者の年齢、性別、一次診断、再建側、欠損部位、放射線病歴、術後感染、歯列、残存咬合ユニット、再建から骨折までの期間、解剖学的骨折位置を記録しました。7人の患者が7枚の採集プレートを提供しました。2枚のプレートには2本の明確な破断線がありました。したがって、記述的フラクトグラフィック解析には9箇所の破壊部位が含まれました。患者とプレートが臨床サンプリング単位とみなされ、個々の骨折部位が骨折面記述の単位として用いられました。骨折部位は後方体、前方体、または下顎角に分類されました。プレート関連の変数には、プレートシステム、標準的なプレート厚さ、穴幅、固定ネジの数と分布、支持されていないプレートスパンの長さが含まれます。術中の曲げおよび再曲げ手術の正確な数は、手術記録に一貫して記録されていないため特定できません。パノラマX線写真を用いて骨折の位置を確認し、画像所見と採取した標本との照合を行いました。

破砕形態のSEMベースの解析

除去後、破砕された各板は破損面を保護するために慎重に取り扱われました。破壊面を機械的にこすることなく蒸留水で試料を優しく洗浄することで、粗大な生物ゴミを軽減しました。各プレート試料は、標本を完全に浸すのに十分な100%エタノールを含む15mLの円錐形チューブに入れられました。密閉チューブは超音波浴槽に入れられ、37kHz、100W、37°Cで3分間超音波処理されました。 超音波処理後、試料はチューブから取り出され、クリーンエアチャンバーで乾燥させられました。同じ調製手順がすべての臨床および参考標本に適用されました。破壊面には研磨、研削、導電性金属コーティングは行われませんでした。クリーンエアチャンバーで乾燥した後、試料は導電性カーボンテープでアルミニウム製のスタブに取り付けられました。両対向する破壊面は、可能な限り低倍率で最初に検査されました。詳細な画像化のために選ばれた表面は、周辺部および中心部の破砕領域が目に見えること、形態的特徴を隠す破片が最小限であること、回収に関連する目立つ傷や器具の痕跡がないこと、そして重大な破砕、曲げ、または骨折後の変形がないことが求められました。両方の面がこれらの基準を満たした場合、両面とも分析のために保持されました。解剖学的向きは、プレートの輪郭、スクリュー穴の配置、骨折部位を手術記録およびパノラマX線写真と照合することで決定されました。骨面は舌側、反対側は頬側とされ、上・下方向は下顎縁に対する板の位置から決定されました。これらの指示はアルミ製スタブの取り付け時に記録され、維持されていました。

マウントされた標本は、二次電子検出器を用いた二次電子イメージングを用いて、80×、200×、400×、1,000×の倍率で検査されました。約80×倍率で、研究者たちはまず骨折面全体、末梢縁、中心破裂領域が十分に可視化されていることを確認しました。推定の亀裂開始領域と最終過負荷ゾーンを特定し、200×、400×、1,000×のターゲットイメージングを行いました。概要画像は約80×倍率で取得され、加速電圧10.0 kV、プローブ電流0.10 nA、滞留時間5.0μs、作業距離40.0 mmで取得されました。各断裂面は末梢縁から中央破裂帯まで体系的に調査されました。各破壊面は、推定亀裂開始マージン、主要な亀裂伝播軸、条痕状の模様、浜辺の痕跡のようなパターン、延性の裂け目、脆性に見える領域、推定最終過負荷帯など、あらかじめ定義された形態学的カテゴリーを用いて評価されました。亀裂伝播方向は主に口舌方向、主に上下位、混合、または不確定に分類されました。特に疲労特徴の位置を板の頬側、舌側、上側、下側の側面に対して配置し、機械的応力の主なる方向を推測しました。調査員たちは画像を独自にレビューし、その後コンセンサスレビューを行いました。

簡易荷重条件下での臨床骨折と参照骨折の比較

臨床的に回収されたプレートと同じシステムかつ標準寸法の未使用再建プレートを用いて参照骨折を作成しました。1枚のプレートは口舌側負荷下で、もう1枚は上・下負荷で試験されました。各プレートには、事前に予定されている積み込み地点が記載されていました。プレートは、各側のマークされた積み込み地点から2つの穴離れた位置で手動で支持されました。

標示された場所で手動で装填が行われ、大きな板の破断が起こるまで続けました。口舌側の条件では、口舌側方向に力が加えられました。上下条件では、上下方向に力を加えました。

これらの参照骨折は、下顎再建板が生 体内で経験する複雑な循環的かつ多方向の荷重環境を再現するのではなく、形態学的比較を簡素化するために作成されたものである。骨折後、すべての基準標本は、採取した臨床プレートと同じ洗浄、マウント、SEM画像処理を受けました。

臨床骨折および基準骨折は、推定亀裂開始マージン、主要な破壊面向き、亀裂伝播軸、条痕状またはビーチマーク状の特徴の向き、延性裂痕の分布、推定最終過負荷ゾーンの位置を用いて比較しました。各臨床骨折は、頬舌参照パターンにより近い、上-下基準パターンに近い、混合骨折、または不確定骨折として分類されました。研究者間の意見の相違は共同審査と合意によって解決されました。類似性評価は定性的であり、独自の因果負荷メカニズムを確立することを意図したものではありませんでした。

エネルギー分散型X線分光による元素組成の評価

電子顕微鏡下では、元素組成の評価と腐食による劣化や汚染の証拠をスクリーニングするために、エネルギー分散型X線分光法が実施されました。エネルギー分散型X線分光法はSEM集積シリコンドリフト検出器を用いて実施されました。スペクトルは20 kVの加速電圧で取得され、1,000×倍率で動作距離10.0mmでした。関心のある長方形の領域は、試料の縁や粗い表面の破片を避けつつ、比較的平坦な破壊面の部分に設置されました。元素組成は取得スペクトルから定量化され、重量パーセント(wt%)および原子パーセンテージ(at%)として報告されました。

プロトコルの完成と最終出力のコンパイル

各評価破砕部位に解剖学的に配向されたSEM画像セット、完了した形態評価、亀裂伝播方向分類、定性的参照パターン分類、そしてwt%およびat%で表されるEDS組成報告書が揃っていることを確認した後に手順を完了します。これらの出力を対応する臨床および放射線データと統合し、最終的な検体レベルの解析データセットを作成します。

結果

適格症例の特定および臨床、欠損、プレートの特徴の記録

下顎再建プレート骨折の患者7名を抽出分析のために特定しました。コホートは男性5名、女性2名で構成され、骨折時の平均年齢は60.6歳(30歳から79歳の範囲)でした。基礎診断は、4人の患者に扁平上皮がん、2人の患者に骨髄炎、1人の患者に骨肉腫でした。再建手術から板骨折までの平均間隔は14か月で、2か月から47か月の範囲でした。左下顎で3人、右下顎で4人が再建手術を受けました。骨折部位は後方体(n = 3)、前方体(n = 3)、下顎角(n = 3)の3つの解剖領域に均等に分布していました。4つの再建プレートシステムが展示されました。プレートには中央値は16穴(範囲は12〜16穴)でした。固定スクリューの中央値は9本(範囲7〜14本)で、近位節に2〜8本、遠位節に4〜6本のネジが設置されていました。支持されていないプレートスパンの中央値長は6個のプレート穴(範囲は2〜7個)でした。機能的咬合ユニットの数は4から8まで幅があり、中央値は6ユニットでした。放射線治療を受けた患者は4人、放射線治療を受けていない患者は3人でした。骨折時に術後感染や非癒合の記録はなかった。各プレートの詳細な仕様(メーカーおよびプレートシステム、公称厚さ、穴幅、固定詳細、支持されていないスパンなど)は 図2 および 表1に記載されています。

破砕形態のSEMベースの解析

SEMは、観察された破壊面形態における部位関連の違いを明らかにしました。下顎体領域では、6つの体域骨折部位すべてが主に口側の方向を示しました(図3 および 図4)。

体部骨折の頬縁や舌縁に条痕状の斑点やビーチマーク状の模様が観察されました。これらの特徴は繰り返し荷重下での亀裂の進行的成長と両立すると考えられていましたが、生 体内 での荷重の大きさや方向は形態だけでは特定できませんでした。亀裂の伝播が板を横断するにつれて、周辺領域はしばしば脆性破壊形態へと移行しました。下顎角群では、観察された断裂面の特徴は主に上軸-下軸に沿って配置されていました(図5)。

推定される亀裂開始領域は、3/3の標本で上部または下部プレートマージンに位置していました。3/3の標本で、鉛直方向に伸びた延性性裂け目の特徴や、板厚を貫く脆性の領域が観察されました。これらの観察は、破壊形態の部位に関連する違いと整合性がありました。しかし、破壊形態だけでは in vivo 負荷の大きさや因果方向を特定できませんでした(表2)。

各骨折部位の代表的な高倍率SEM顕微鏡および対応する生画像データセットは 補足ファイル1に掲載されています。

簡易荷重条件下での臨床骨折と参照骨折の比較

装填は手動で行われました。したがって、力、変位、荷重率、破壊荷重、疲労関連パラメータは測定されませんでした。2つの基準プレートが破損し、各簡易された荷重方向に1枚ずつ割り当てられていました。各条件下で1枚のプレートのみがテストされたため、実験的な再現性は評価できませんでした。頬舌側の荷重により、主に板の側縁における亀裂開始と、頬舌軸に沿って配向された破壊面の特徴が特徴的な亀裂が生じました。対照的に、上下荷重は亀裂が上または下側の板縁で始まり、特徴は主に上下軸に沿って配置された。

質的比較では、体腔の臨床骨折は、頬舌側負荷下で発生した骨折と形態的特徴を共有することがより多かった。これらの共通の特徴には、側縁の亀裂開始や、破壊面の特徴が主に横方向に向いていることが挙げられます。下顎角での臨床骨折は、特に上または下縁での亀裂開始や観察された骨折特徴の垂直方向に関して、上下方基準骨折により頻繁に似ていました。

これらの比較では、臨床骨折と参照骨折の間に選択的な形態学的類似性が見られました。しかし、参照実験は単純化された荷重条件を用い、再構築プレートに作用する循環的・多方向の力を生 体内で再現しなかったため、観察された類似性は因果荷重機構の決定的な証拠ではなく、定性的かつ仮説形成的なものとして解釈されました(図6)。

参照実験は探索的質的比較であり、生体力学的検証を目的としたものではありません。

エネルギー分散型X線分光による元素組成の評価

エネルギー分散型X線分光法により、分析領域においてチタンと酸素が検出された元素の割合が最も大きいことが示されました。5人の患者で少量の炭素が検出され、ナトリウムは1人の患者のみで検出されました。分析対象地では、予期せぬ元素堆積物や組成異常は検出されませんでした。値は、選択された各断裂面領域からの単一の面積測定値を表しています(表3)。完全なEDSスペクトルおよび生の定量的出力は 補足ファイル1に提供されています。

結論

この探索的採掘研究は、下顎再建板の解剖学的破壊部位間で骨折面形態の違いを特定しました。体域骨折は頬舌軸に沿って特徴が見られることが多かったのに対し、角度骨折は上下軸に方向に向いた特徴がより頻繁に見られました。手動生成の参照骨折は対応する臨床検体と選択的に質的類似性を示しましたが、あくまで探索的な比較対象であり、生体力学的検証を意図したものではありません。定量的な力、変位、荷重速度、疲労試験のパラメータが得られず、実験モデルが 生体内で下顎の複雑な循環的かつ多方向の荷重環境を再現しなかったため、これらの観察は因果関係ではなく仮説形成として解釈されるべきです。これらの発見は、プレート破壊に関連する機械的環境が解剖学的サブサイトによって異なる可能性を生み出しています。標準化された周期疲労試験、定量的な力および変位測定、より大規模な均質コホート、有限要素解析を取り入れたさらなる研究が、サイト特異的な補強戦略を推奨する前に必要です。

データの利用可能性:

本研究で生成または分析されたすべてのデータは、原稿および補足ファイルに含まれています。代表的な高倍率SEM画像、生画像データセット、エネルギー分散型X線分光スペクトル、生の定量出力が補足資料として提供されています。生のSEM画像、EDSスペクトル、定量出力、および非識別化された分析データセットは、ZenodoでDOI: 10.5281/zenodo.20744888で公開されています。

図1:検索ベースのフラクトグラフィー研究の全体的な研究ワークフロー。 下顎再建プレート骨折を伴う臨床症例が特定され、回収されたプレートは骨折部位、プレートおよび固定配置、支持されていないスパン、機能的咬合ユニット、放射線治療の被曝、感染または非癒合の状態に基づいて特徴付けられました。回収された標本は洗浄・マウントされ、SEMを用いて破砕面形態とエネルギー分散型X線分光法で元素組成を評価しました。未使用の2枚の基準プレートは、簡易された口舌および上下荷重条件下で手動で破砕されました。臨床面および基準破壊面は、推定亀裂開始マージン、破砕面の向き、伝播軸、条痕またはビーチマーク状の特徴、延性裂け目、最終過負荷帯など、あらかじめ定められた形態的基準を用いて質的に比較されました。この比較は、現場依存的な機械的環境に関する仮説を導くことを目的としており、定量的な生体力学的検証とはみなされていません。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図2:回収された下顎再建板における臨床骨折の解剖学的位置。 7人の患者(A–G)のパノラマX線写真で、下顎再建板骨折の解剖学的位置が示されています。骨折部位は後方体(A、D、E)、前方体(C、D、G)、下顎角(B、F、G)で確認されました。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図3:下顎後部骨折の臨床骨折の走査型電子顕微鏡写真。 (A,B)患者1および5の破砕面は、頬から舌側への亀裂の伝播と同心疲労条痕を示す。(C) 患者4の骨折面で、口腔側に位置し、延性裂傷や脆さが見られる部位が見られます。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図4:前顎骨骨折の臨床骨折の走査型電子顕微鏡写真。 (A) 患者3の骨折面で、頬から舌側および舌側から頬側への方向性が混在し、条痕状の模様や浜辺の痕跡のような模様が見られる。(B) 患者4の骨折面で、舌側・頬方向の特徴と延性裂傷や脆性が見られる部分。(C)患者7の骨折面で、頬舌方向の特徴とビーチマークのような模様が見られます。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図5:下顎角骨折の臨床骨折の走査型電子顕微鏡写真。 (A) 患者2の骨折面で、下上方向に位置し、条痕のような模様が見られる。(B,C)患者6および7の骨折面は、延性裂傷と脆性が複合的に見られる下上方向の特徴を示しました。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図6:簡易荷重条件下で生成された基準破壊面。 (A) 口舌荷重下で発生した参照骨折、(B) 上下荷重下で発生した参照骨折。矢印は観測された破壊面の特徴の主要な向きを示します。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

患者	セックス	年代	診断	サイド	欠陥領域	プレートシステム		厚さ(mm)	ネジ穴(mm)	プレート穴の総数	固定ネジ、全(近位/遠位)	ウン 支持スパン(穴の数)	機能 イオン咬合単位、n	ラジオ セラピー	感染または不結合	板裂の時間(数ヶ月)
1	M	36	SCC	中尉	後部体	チタンマトリックスMANDIBLE再構築プレート(DePuy合成)		2.8	2.4	15	8 (4/4)	7	6	はい	いいえ	20
2	M	76	SCC	中尉	角度	ユニバーサル2下顎再建プレート(ストライカー・ライビンガー)		2.8	2.3	16	10 (5/5)	6	4	はい	いいえ	10
3	F	30	変形肉腫	Rt	前部	ユニバーサル2下顎再建プレート(ストライカー・ライビンガー)		2.8	2.3	13	7 (2/5)	6	8	はい	いいえ	47
4	M	70	SCC	Rt	後部体	ユニバーサル2下顎再建プレート(ストライカー・ライビンガー)		2.8	2.3	16	11 (6/5)	5	6	はい	いいえ	12
					前部
5	M	74	骨髄炎	中尉	後部体	チタンマトリックスMANDIBLE再構築プレート(DePuy合成)		2.8	2.4	12	7 (3/4)	5	8	いいえ	いいえ	2
6	F	79	骨髄炎	Rt	角度	OPTIMUS下顎再建プレート(骨骨)		2.6	2.4	16	14 (8/6)	2	8	いいえ	いいえ	3
7	M	59	SCC	Rt	角度	ユニベルサ2下顎再建プレート(ストライカー)		2.8	2.3	16	9 (4/5)	7	6	いいえ	いいえ	4
					前部

表1:採取した下顎再建プレートの臨床的、再建的、インプラントの特徴。 患者の性別、年齢、診断、プレート製造元およびシステム、標準プレートプロファイル(厚さ、スクリュー穴)、再建した下顎側、骨折部位、プレート穴の総数、固定スクリューの数と分布、支持されていないプレートスパン、機能的咬合ユニット、放射線治療歴、感染または非癒合の状態、再建からプレート骨折までの期間の概要。機能咬合単位は、臼歯、前臼歯、前方領域における対向する上顎・下顎接触部と定義され、接触単位はそれぞれ1回数えられました。

患者番号。	解剖骨折部位	破壊伝播の方向	破壊形態
1	後部体	Buccal à Lingual	同心円状のストライテーション
2	角度	Inferior à Superior	縞と浜辺の痕跡
3	前部	Buccal à Lingual	ビーチマーク
		口腔舌
4	後部体	Buccal à Lingual	延性性と脆性
	前部	口腔舌	延性性と脆性
5	後部体	口腔舌	同心円状のストライテーション
6	角度	Inferior à Superior	延性性と脆性
7	角度	Inferior à Superior	延性性と脆性
	前部	Buccal à Lingual	ビーチマーク

表2:走査型電子顕微鏡で観察された断裂下顎再建板の断層学的所見。 解析した各破壊面の解剖学的破壊部位、亀裂の伝播方向、および支配的な破壊形態の概要。

	Ti			O		C		なん
患者番号。	質量標準値%		原子 %	質量標準値%	原子 %	質量標準値%	原子 %	質量標準値%	原子 %
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

表3:エネルギー分散型X線分光法で決定された骨折下顎再建板の元素組成。 元素組成は、EDS面積解析で得られた正規化重量パーセント(wt%)および原子パーセンテージ(at%)として報告され、20 kVおよび作業距離10.0 mmです。

補足ファイル1:患者1–7によるエネルギー分散型X線分光分析。 走査型電子顕微鏡画像は、EDS解析に関心のある選定領域を示し、対応するスペクトルおよび元素組成表を示します。すべての試料で主にチタンが元素であり、酸素とともに、プレート表面にチタン酸化物が形成していることと一致していました。患者3から7で炭素が検出され、患者3でナトリウムが検出されました。このファイルをダウンロードするには、こちらをクリックしてください。

ディスカッション

本探索的研究は、SEM、比較基準負荷、エネルギー分散型X線分光法を組み合わせた抽出ベースのプロトコルを提案し、破砕面形態を特徴づけ、骨折下顎再建板における部位に関連する方向パターンを探求します。過去の研究では、直接材料解析およびフラクトグラフィー解析により、下顎再建板の破壊の主なメカニズムとして疲労が特定^{されています。}他の研究では、主に臨床リスク要因、プレート設計、または計算的およびベンチトップバイオメカニクス評価(9,10,11,13,14,15,16,17)に焦点を当てています。本研究では、破砕面の特徴は解剖学的断裂位置によって異なっていました。体域骨折は頬舌軸に沿って特徴が見られることが多かったのに対し、角度骨折は上下軸に方向に向いた特徴がより頻繁に見られました。簡略化された参照負荷実験により、対応する臨床標本で観察されたものと質的に類似した形態的特徴が選ばれました。これらの発見は、プレート破壊の主な機械的環境が解剖学的サブサイトによって異なる可能性を示唆していますが、独自の因果荷重機構を確立するものではありません。

観察された違いは、疲労関連の板破壊の一般的な概念の拡張を提供する可能性があります。下顎体では、骨折は主に口舌方向に進行し、側方の曲げ応力に対する脆弱性を示唆しています。しかし、参照破壊実験は定性的かつ探索的な形態学的比較のみを目的として設計されており、生体力学的検証を目的としたものではありませんでした。荷重は手動で加えられていたため、力、排水量、荷重率、破壊荷重、疲労試験パラメータの定量的測定は得られませんでした。さらに、このモデルは下顎再建プレートがin vivoで経験する複雑な循環的、多方向的、患者特異的負荷環境を再現できませんでした。したがって、観察された類似性は標準化された生体力学的試験で確認が必要な仮説生成パターンとしてのみ解釈すべきです。

より大規模かつ制御された研究で確認されれば、機械環境の解剖学的変動は再構築プレート設計に影響を及ぼす可能性があります。潜在的な戦略としては、板の剛性の局所的な修正、断面形状、板の厚さ、補強などが考えられます。しかしながら、本研究結果は特定のサブサイト特異的なプレート配置を推奨するには不十分です。このような推奨には、欠損長、支持されていないプレートスパン、固定方法、プレートの輪郭、残留骨支持、患者特有の荷重条件^{11、13、14、15、16、17}を考慮した比較検査が必要です。

エネルギー分散型X線分光法では、チタンと酸素が優勢元素として検出され、一部の標本では炭素とナトリウムが少量かつ不安定な量で検出されました。これらの微細な信号は、真の合金変質よりも表面酸化、吸着汚染物質、または生理的残留物に起因する可能性^{が高いです。}分析対象領域では、予期せぬ元素堆積物や組成異常は確認されませんでした。しかし、エネルギー分散型X線分光法は局所的な元素情報を提供し、局所的な腐食、フレッティング、トライボ腐食、その他の表面劣化過程を独立して排除することはできません(18,19,20,21)。したがって、エネルギー分散型X線分光法の発見は、化学分解がプレート破損に関与しなかった決定的な証拠と解釈すべきではありません。むしろ、破砕学的結果は進行的な機械的破壊と比較的適合しており、腐食関連プロセスの相対的な寄与は依然として不確かです。

回収型断面法にはいくつかの強みがあります。臨床現場で失敗したインプラントを直接調査し、潜在的な亀裂開始領域、伝播特徴、最終破裂ゾーンの特定を可能にします。また、仮定される荷重条件に完全に依存しない限り、骨折形態を臨床的および解剖学的情報と関連付けることも可能です。しかし、回収解析ではインプラントの荷重履歴を完全に再現したり、破壊前に作用した力の大きさ、頻度、方向を定量化することはできません。観察される破壊面は、板の輪郭形成、繰り返し荷重、局所応力集中、生物学的曝露、植原、試料準備の複合的な影響を反映している場合もあります。

フラクトグラフィー解析の質と信頼性には、いくつかのプロトコルステップが不可欠です。破壊面は回収時に擦り傷や器具接触から保護し、機械的摩耗を避けて優しく清掃する必要があります。なぜなら、汚染や二次損傷により疲労関連の特徴が見えにくくなる可能性があるからです。取り付け前に、プレートの輪郭やスクリュー穴の配置を手術および放射線学的所見と照合して解剖学的な配向を確立する必要があります。方位が不確かな標本は不確定と分類されるべきです。断裂面全体の低倍率検査を先行し、推定起爆領域、伝播特徴、最終破裂帯間の空間的関係を保持するために高倍率画像検査を行うべきです。安全な導電取り付けと作業距離・スキャン条件の適切な調整により、充電や焦点合わせのアーティファクトを減らすことができます。EDS分析では、誤った元素信号を最小限に抑えるために、試料の縁辺、カーボンテープ、または目に見える破片の近くの領域を避けるべき^です。一貫した画像条件、あらかじめ定義された形態学的カテゴリー、そして独立したレビューと合意形成は解釈の変動を減らすために重要であり、曖昧または曖昧な特徴を伴う骨折は方向参照カテゴリーに割り当てるべきではありません。

このプロトコルの実用的な利点には、臨床的に採取したインプラントの使用、最小限の破壊的検体調製、臨床・放射線・形態・元素データの統合、標準化された低倍率から高倍率へのワークフローが含まれます。この手法は、専用の機械的試験システムを必要とせず、従来のSEMおよびEDS機器にアクセスできる実験室でも実装可能です。あらかじめ定められた方位付け、画像診断、分類手順は、標本や研究者間での再現性を向上させることもあります。しかし、アクセスのしやすさはSEMの専門知識と適切な回収処理の有無に依存しています。

有限要素解析と標準化された疲労試験は補完的な情報を提供します。有限要素解析は応力およびひずみ分布を推定し、欠陥形状、プレート設計、固定配置、荷重仮定の影響を評価できます(13,16,17)。しかし、その結果は筋肉の力、咬合接触、材料特性、境界条件、骨とインプラントの相互作用に関する仮定に敏感である^13,16。サイクリックベンチトップ疲労試験は、標準化された条件^13,15の下で構造物の剛性、破壊サイクル、疲労強度、破壊荷重などの定量的測定を提供します。それでも、このような実験は生体内で遭遇する変化する生物学的、解剖学的、多方向の荷重環境を必然的に簡素化します。したがって、検索ベースの断面解析、有限要素解析、疲労試験は相互に考えるべきではなく、補完的なアプローチとみなすべきです。

このプロトコルは、頭蓋顎顔面研究の複数の分野で有用である可能性があります。従来のプレートと患者特異的プレートの比較を促進し、採取したインプラントを用いた有限要素予測の検証を支援し、異なる再建環境で最も脆弱な下顎サブ部位を特定するのに役立ちます。11,13,14,15,16,17 .さらに、プレートと血管化骨移植、荷重分担セグメント、補助バーを組み合わせたハイブリッド再建戦略の開発にも寄与する可能性があり、機械的に負荷の高い領域^{1、2、13、14、15}で活用される可能性があります。

いくつかの制限点を認めておくべきです。まず、これは7人の患者と9箇所の骨折部位を対象とした小規模な後ろ向き検索研究で、2枚のプレートがそれぞれ2本の骨折線を提供しました。したがって、一部の観察結果は統計的に独立しておらず、結果は一般化できない可能性があります。また、診断、欠損部位、放射線治療の曝露、機能的咬合ユニット、支持されていないプレートスパン、固定配置、プレートシステムにおいても異質でした。板厚、断面断面、穴の形状、材料加工、メーカー固有の設計の違いが応力集中や破壊面形態に影響を与えた可能性があります(11,13,14,15,16)。小規模で多様なコホート群のため、解剖部位の影響はプレートシステム設計の影響と分離できませんでした。

第二に、術中の曲げまたは再曲げ手術の数、位置、範囲が一貫して記録されていませんでした。繰り返しの輪郭形成は残留応力や局所的な機械的弱化をもたらす可能性があり、したがって^板の破損に寄与した可能性があります。

第三に、基準破壊モデルは非常に単純化されていました。したがって、参照実験は臨床骨折面から推定される荷重方向の生体力学的検証として解釈すべきではありません。各荷重方向に対して未使用の板材は1枚のみ試験され、荷重は力、変位、荷重率、破壊荷重の定量的測定なしに手動かつ単調に加えられました。再現性は評価できず、モデルは 生体内で存在する循環的、多方向的、患者特異的な力を再現できませんでした。したがって、実験的な断裂は定性的形態学的参照としてのみ機能しました。

第四に、臨床骨折と参照骨折の比較は、あらかじめ定義されたフラクトグラフィック特徴の質的評価に基づいて行われました。画像は独立してレビューされ、意見の相違は合意によって解決されましたが、解釈は部分的に主観的であり、破壊形態だけでは原因負荷の大きさや方向を独自に決定することはできません。

最後に、SEMやエネルギー分散型X線分光法は局所的な構造的および元素的情報を提供しますが、インプラントの機械的、生物学的、化学的全履歴を再現^{することはできません。}著しい組成異常がなくても、局所的な腐食、フレッティング、摩擦腐食、または表面劣化と疲労の相互作用を排除するものではありません(19,20,21)。したがって、これらの発見は探索的かつ仮説形成的なものとみなされ、より大規模な検索コホート、標準化された周期的疲労試験、定量的な力学的測定、患者特有の有限要素解析による確認が必要です。

今後の研究では、抽出に基づくフラクトログラフィーを患者特異的形状、機能負荷データ、再建設計変数と統合すべきです。より大規模な多中心採取コホートは、特定の欠損パターンや固定戦略が身体優位または角度優位の失敗を容易にするかどうかを明らかにするかもしれません。全体として、これらの観察はサブサイト特異的な補強が有益かどうかの将来の調査の基盤を提供しますが、特定のプレート設計戦略を直接支持するものではありません。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
エネルギー分散型X線分析装置（Apreo 2）	Thermo Fisher Scientific	部品番号1229004	走査型電子顕微鏡による元素分析に使用される統合型検出器
OPTIMUS下顎再建プレート	Osteonic	MST326M17	この研究で分析された取得された臨床試料
走査型電子顕微鏡（Apreo 2）	Thermo Fisher Scientific	部品番号1229004	破断面の破砕形態学的検査に使用
チタンマトリックス下顎再建プレート	DePuy Synthes	04.503.739	この研究で分析された取得された臨床試料
超音波洗浄器	SHARP	UT-106	プレートのエタノール洗浄
Universal 2下顎再建プレート	Stryker Leibinger	55-28922 55-28920	この研究で分析された取得された臨床試料