이 회출 기반 프로토콜은 주사 전자현미경, 단순화된 기준 균열을 통한 질적 비교, 에너지 분산형 X선 분광법을 결합합니다. 신체 부위 골절은 주로 구측 언어 방향 특징을 보였으나, 각-영역 골절은 상하 방향을 보였으며, 이는 판 파손의 기계적 환경이 해부학적 부위에 따라 다를 수 있음을 시사한다.
이 논문에서
요약
초록
하악 재건판은 분절 하악절제술 후 널리 사용되지만, 판 골절은 여전히 중요한 합병증입니다. 본 연구는 주사 전자현미경(SEM)을 사용하여 티타늄 하악 재건판의 골절 형태를 특성화하고 부위별 기계적 파손 방향을 추론하는 추출 기반 프로토콜을 제시합니다. 우리는 파절-표면 방향이 해부학적 파단 위치에 따라 다르며, 서로 다른 하중 방향에서 발생한 기준 파절과 질적으로 유사성을 보일 것이라고 가설을 세웠습니다. 판 골절 환자 7명이 확인되어 골절 부위 9개가 발견되었습니다. 회수된 판재는 세척, 장착 및 SEM으로 검사하여 균열 시작 부위, 피로 자국, 해변 자국, 최종 파열 구역을 확인했습니다. 에너지 분산 X선 분광법을 통해 원소 조성을 평가하고 부식 관련 이상을 배제하였습니다. 두 개의 미사용 기준판은 단순화된 구측-설 및 상하하 하중 하중 하에 수동으로 파쇄하였으며, 그 균열면 특징은 임상 표본과 질적으로 비교되었다. 6개의 신체 부위 골절 부위 모두 주로 구측-설 방향의 골절 표면 특징을 보였으며, 3개의 하악각 골절 부위는 주로 상-하위 방향을 보였다. 신체 부위 골절은 구측-설측 기준 골절과 선택된 형태학적 특징을 공유했으며, 각-영역 골절은 상하부 기준 골절과 유사성을 보였다. 에너지 분산형 X선 분광법은 주로 티타늄과 산소를 검출했으며, 예상치 못한 침전물이나 조성 이상은 발견되지 않았습니다. 이 결과는 하악재건판 파손의 기계적 환경이 해부학적 부위에 따라 다를 수 있음을 시사합니다. 그러나 참조 실험들은 하중 조건당 한 개의 시료를 사용했고, 수동적이고 정량화되지 않은 하중에 의존했으며 순환 피로 시험이 포함되지 않았기 때문에, 관찰된 유사성은 인과 하중 메커니즘에 대한 결정적인 증거라기보다는 정성적이고 가설을 도출하는 데 그치고 간주되어야 합니다. 하위 부위 특이적 판 설계 또는 보강 전략을 권고하기 위해서는 추가적인 정량적 생체역학 및 계산 연구가 필요합니다.
서론
분절 하악 절제술 후 하악 재건은 종양학적 또는 감염성 골 결손 환자에서 연속성, 안면 윤곽, 점화 및 언어 회복에 필수적입니다 1,2. 하중 지지 티타늄 재건판은 즉각적인 안정성을 제공하고, 외과적으로 실용적이며, 최종 치료나 2차 재건 전 임시 해결책으로 사용할 수 있기 때문에 여전히 널리 사용되고 있습니다. 이러한 장점에도 불구하고, 판 노출, 이완, 감염, 골절과 같은 합병증이 장기적인 성공을 계속 제한합니다 5,6,7. 판 골절은 특히 중요한데, 재수술이 필요할 수 있고 기능 저하와 연조직 손상과 연관되기 때문입니다 5,8,9,10,11. 임상 및 생체역학 연구들은 방사선 노출, 결손 길이, 지지 불가능한 경간, 판 윤곽, 고정 전략 등이 실패 위험에 영향을 미치는 것으로 제안했습니다 12,13,14,15,16. 그러나 하악 부위의 여러 부위에서 골절을 일으키는 응력의 정확한 방향성은 3,5,8,12로 충분히 정의되지 않았습니다.
프랙토그래픽 분석은 재료 수준에서 임플란트 실패를 직접 조사할 수 있는 방법을 제공합니다. 주사 전자현미경(SEM) 기반 파락학은 피로 스트라이즈, 추정되는 균열 시작 부위, 해변 자국 패턴, 최종 파열 형태를 상세히 식별하여 파손과 관련된 기계적 조건에 대한 정성적 정보를 제공합니다 3,8,12. 제어된 하중 조건에서 구조적 거동을 평가하는 생체역학적 시험이나 응력 및 변형률 분포를 계산적으로 추정하는 유한요소 분석과 달리, SEM 기반 파단학은 회수된 파단 표면 13,14,15,16에 보존된 형태학적 특징을 직접 조사합니다. 그러나 이 접근법은 주로 정성적이며, 생체 내 부하의 크기를 독립적으로 정량화하거나 독특한 인과 부하 메커니즘을 확립할 수 없습니다; 따라서 실패 패턴을 식별하고 생체역학 가설을 생성하는 탐색적 방법으로 가장 적합합니다.
이전 연구들은 실패한 하악판 3,8,12의 골절면을 조사했으나, 골절 형태와 해부학적 부위 간의 관계는 체계적으로 명확히 밝혀지지 않았습니다. 이 탐색적 회출 연구의 목적은 임상적으로 회출된 하악 재건판의 파절-표면 형태를 특성화하고, 관찰된 특징을 단순화된 구강-설 및 상하하 하중 조건에서 파절된 기준판과 비교하는 것이었습니다. 우리는 단절 표면 특징이 판 파손의 해부학적 위치에 따라 달라지며, 서로 다른 하중 방향에서 생성된 기준 균열과 질적 유사성을 보일 것이라고 가설을 세웠다.
프로토콜
인간 유래 물질을 사용하는 모든 절차는 헬싱키 선언과 기관 지침에 따라 수행되었습니다. 연구 프로토콜은 서울대학교치과병원 기관심의위원회(IRB No. CDE19001). 이 연구는 신원 확인이 제거된 임상 데이터와 엑스플랜트 데이터베이스에서 가져온 제거 하드웨어를 사용한 후견적 연구였기 때문에, 위원회는 사전 동의 요건을 면제했습니다. 전체 연구 워크플로우는 네 단계로 구성되었습니다: 회수된 파절판의 식별 및 임상 분류, SEM 기반 균열면 평가, EDS 분석, 그리고 단순화된 골절과의 정성적 비교. 전체 연구 워크플로우는 그림 1에 제공되어 있습니다. 시약과 사용된 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.
적격 사례 식별 및 임상, 결손, 판 특성 기록
이 후향적 채취 연구에는 하중을 지탱하는 티타늄 판을 사용한 하악 재건을 받은 후 이후 판 골절이 발생해 제거가 필요한 환자들이 포함되었습니다. 임상 차트, 수술 기록, 방사선 영상을 검토하여 환자의 나이, 성별, 1차 진단, 재건된 측근, 결손 위치, 방사선 병력, 수술 후 감염, 치아 및 잔여 교합 부위, 재건부터 골절까지의 시간, 해부학적 골절 위치를 기록하였습니다. 7명의 환자가 7개의 검사 판을 제공했습니다. 두 판에는 두 개의 뚜렷한 균열선이 있었다; 따라서 9개의 파단 부위가 기술적 파쇄학 분석에 포함되었습니다. 환자와 판은 임상 샘플링 단위로 간주되었고, 개별 골절 부위는 골절-표면 설명 단위로 사용되었습니다. 골절 부위는 후측, 전방, 하악각으로 분류되었습니다. 판과 관련된 변수로는 판 시스템, 명목상 판 두께, 구멍 너비, 고정 나사의 수와 분포, 지지되지 않은 판 길이가 포함되었습니다. 수술 중 구부림 및 다시 굽힌 동작의 정확한 수는 수술 기록에 일관되게 문서화되지 않아 확인되지 않았다. 파노라마 방사선 촬영을 사용해 골절 위치를 확인하고 영상 결과를 회수한 표본과 연관시켰습니다.
SEM 기반 파단 형태 분석
제거 후에는 각 파손된 판을 조심스럽게 다루어 균열 표면을 보존했습니다. 균열 표면을 기계적 긁어내지 않고 증류수로 샘플을 부드럽게 세척하여 생물학적 잔해를 부드럽게 줄였습니다. 각 플레이트 시료는 15mL 원뿔형 튜브에 넣었으며, 이 튜브에는 시료를 완전히 담그기에 충분한 100% 에탄올이 들어 있었습니다. 닫힌 튜브는 초음파 욕조에 넣어 37 kHz, 100W, 37 °C에서 3분간 초음파 검사를 받았습니다. 초음파 검사 후, 시료를 튜브에서 꺼내 깨끗한 공기 챔버에서 건조시켰습니다. 동일한 조제 절차가 모든 임상 및 참조 표본에 적용되었습니다. 파단 표면에는 연마, 연마, 전도 금속 코팅이 이루어지지 않았습니다. 깨끗한 공기 챔버에서 건조된 후, 시본들은 전도성 탄소 테이프를 사용해 알루미늄 스텁에 부착되었습니다. 처음에는 두 개의 반대편 파절면을 가능한 한 낮은 배율로 검사했습니다. 상세 영상 촬영을 위해 선정된 표면은 주변 및 중심 골절 부위가 눈에 띄고, 형태학적 특징을 가리는 최소한의 이물질, 회수 관련 긁힘이나 기구 자국이 없으며, 상당한 압박, 굽힘 또는 파손 후 변형이 없어야 했습니다. 두 표면이 이 기준을 충족하면 두 표면 모두 분석을 위해 보존되었습니다. 판 윤곽선, 나사구멍 구성, 골절 위치를 수술 기록과 파노라마 방사선 사진과 일치시켜 해부학적 방향을 결정하였다. 뼈 쪽 면은 설면으로, 반대쪽 면은 구강 면으로 지정되었으며, 상하쪽 방향은 하악 경계에 대한 판 위치에서 결정되었습니다. 이 지침은 알루미늄 스텁에 장착할 때 표시되고 유지되었습니다.
장착된 표본은 2차 전자 검출기를 이용한 2차 전자 영상 촬영을 통해 80×, 200×, 400×, 1,000× 배율로 검사되었습니다. 약 80× 배율에서 연구진은 먼저 전체 골절면, 주변 경계, 중심 파열 부위가 충분히 시각화되었음을 확인했습니다. 추정되는 크랙 개시 영역과 최종 과부하 영역은 200×, 400×, 1,000×에서 표적 영상 전에 확인되었습니다. 개요 이미지는 약 80× 배율로 10.0 kV의 가속 전압, 0.10 nA의 프로브 전류, 5.0 μs의 체류 시간, 40.0 mm의 작업 거리를 사용하여 촬영되었습니다. 각 균열 표면은 말초 가장자리부터 중심 파열대까지 체계적으로 검토되었다. 각 균열 표면은 추정되는 균열 시작 마진, 주요 균열 전파 축, 줄무늬 유사 표식, 해변 표식, 연성 찢김, 취성 영역, 추정 최종 과부하 구역 등 사전에 정의된 형태학적 범주를 사용하여 평가되었습니다. 크랙-전파 방향은 주로 부코-링구, 주로 상하, 혼합, 또는 불확정으로 분류되었다. 기계적 응력의 주된 방향을 추론하기 위해 피로 특징의 방향을 판의 구강, 설, 상부, 하부 측면에 대해 특별히 주의를 기울였다. 조사관들은 합의 검토를 수행하기 전에 독립적으로 이미지를 검토했습니다.
단순화된 하중 조건에서 임상 골절과 참조 골절의 비교
임상에서 회수된 판과 동일한 시스템과 명목상 크기의 미사용 재건판을 사용하여 기준 골절을 생성하였습니다. 한 판은 입설 하중에서, 다른 한 판은 상하하 하중으로 시험되었다. 각 판마다 예정된 적재 지점이 사전에 표시되어 있었습니다. 판은 각 면의 표시된 적재 지점에서 두 개의 구멍 떨어진 위치에 수동으로 지지되었습니다.
표시된 위치에서 수작업으로 하중을 가하다가 심한 판 파손이 발생했습니다. 구강-언어 상태에서는 구강 방향에 힘이 가해졌습니다. 상-하 조건에서는 상-하 방향으로 힘을 가했다.
이 기준 균열들은 생 체 내에서 하악 재건판이 경험하는 복잡한 순환적이고 다방향 하중 환경을 재현하기보다는 형태학적 비교를 단순화하기 위해 생성되었습니다. 골절 후에는 모든 참조 표본에 대해 회수된 임상 판과 동일한 세척, 장착, SEM 영상 절차를 거쳤습니다.
임상 및 기준 골절은 다음과 같은 사전 정의된 특징을 사용하여 비교하였다: 추정 균열 개시 경계, 주요 균열면 방향, 균열 전파 축, 줄무늬 또는 해변 자국과 유사한 지형의 방향, 연성 찢어짐 분포, 추정되는 최종 과부하 구역의 위치. 각 임상 골절은 구설 기준 패턴과 더 유사하거나, 상하 기준 패턴과 더 유사하거나, 혼합형, 또는 불확정형으로 분류되었습니다. 연구자들 간의 의견 차이는 공동 검토와 합의를 통해 해결되었습니다. 유사성 평가는 정성적 평가였으며 고유한 인과 부하 메커니즘을 확립하기 위한 것이 아니었습니다.
에너지 분산 X선 분광법을 통한 원소 조성 평가
에너지 분산 X선 분광법은 전자현미경 검사 중 원소 조성을 평가하고 부식 관련 열화 또는 오염 증거를 선별하기 위해 수행되었습니다. 에너지 분산형 X선 분광법은 SEM 통합 실리콘-드리프트 검출기를 사용하여 수행되었습니다. 스펙트라는 20 kV의 가속 전압과 1,000× 배율에서 10.0 mm 작동 거리에서 획득되었습니다. 관심 있는 직사각형 영역은 시편 가장자리와 표면 잔해를 피하면서 비교적 평평한 파쇄면 위에 위치했다. 원소 조성은 획득된 스펙트럼에서 정량화되어 무게 백분율(wt%)과 원자율(at%)로 보고되었습니다.
프로토콜 완성 및 최종 출력 컴파일
각 평가 가능한 골절 부위에 해부학적 방향의 SEM 이미지 세트, 완료된 형태학적 평가, 균열 전파 방향 분류, 정성적 참조 패턴 분류, 그리고 wt% 및 at% 비율로 표현된 EDS 조성 보고서를 확인한 후 절차를 완료합니다. 이 결과물을 해당 임상 및 방사선 데이터와 통합하여 최종 표본 수준 분석 데이터셋을 생성합니다.
결과
적격 사례 식별 및 임상, 결손, 판 특성 기록
하악재건판 골절이 있는 7명의 환자가 검색된 분석을 위해 확인되었습니다. 코호트는 남성 5명과 여성 2명으로 구성되었으며, 골절 당시 평균 연령은 60.6세(범위 30세에서 79세)였습니다. 기본 진단은 4명의 편평세포암, 2명의 골수염, 1명의 골육종이었습니다. 재건 수술부터 판 골절까지의 평균 간격은 14개월이며, 2개월에서 47개월까지 다양했다. 3명의 환자는 왼쪽 하악골, 4명은 오른쪽 하악골에 재건술이 이루어졌습니다. 골절 부위는 세 개의 해부학적 영역에 균등하게 분포되어 있었다: 후쪽 몸(n = 3), 앞쪽 몸(n = 3), 그리고 하악각(n = 3). 네 가지 재건 판 시스템이 대표되었습니다. 판에는 중앙 구멍이 16개(범위 12–16개 구멍)가 있었습니다. 고정 나사의 중앙 총 수는 9개(범위, 7–14)였으며, 근위 마디에는 2–8개의 나사, 원위 마디에는 4–6개의 나사가 설치되었습니다. 지지되지 않은 판 경간은 중앙 길이가 6개의 판 구멍(범위, 2–7개 구멍)이었습니다. 기능적 교합 단위의 수는 4개에서 8개까지 다양하며, 중앙값은 6개였습니다. 4명의 환자가 방사선 치료를 받았고, 3명은 받지 않았습니다. 판 골절 당시 수술 후 감염이나 유합 부합이 기록된 환자는 없었다. 각 판에 대한 상세 사양, 제조사 및 판 시스템, 명목 두께, 구멍 너비, 고정 세부사항, 지지 없는 경간은 그림 2 와 표 1에 제공되어 있습니다.
SEM 기반 파단 형태 분석
SEM은 관찰된 균열-표면 형태에서 부위 관련 차이를 밝혀냈습니다. 하악체 부위에서는 6개 신체 부위 골절 부위 모두 관찰된 골절 표면 특징이 주로 구중언어 방향으로 나타났다(그림 3 및 그림 4).
신체 부위 골절의 구강 또는 설 가장자리에서 줄무늬 같은 무늬와 해변 무늬가 관찰되었습니다. 이러한 특징들은 반복적인 하중 하중 하에 점진적인 균열 성장과 양립할 수 있다고 여겨졌으나, 생 체 내 하중의 크기와 방향은 형태만으로는 결정할 수 없었다. 균열이 판을 가로질러 진행됨에 따라 주변 영역은 종종 취성 균열 형태로 전환되었습니다. 하악각 그룹에서는 관찰된 균열면 특징이 주로 상하축을 따라 정렬되어 있었습니다(그림 5).
추정되는 분열 시작 영역은 3/3 표본에서 상판 또는 하판 경계에 위치했다. 3/3 표본에서 수직 방향의 연성 찢어짐 특징과 판 두께를 관통하는 취성 부위가 관찰되었다. 이러한 관찰은 파괴 형태의 부위 관련 차이와 일치하였으며; 그러나 골절 형태만으로는 생체 내 하중의 크기나 인과적 방향을 규명할 수 없었다(표 2).
각 골절 부위의 대표적인 고배율 SEM 현미사진과 해당 원시 이미지 데이터셋은 보충 파일 1에 제공되어 있습니다.
단순화된 하중 조건에서 임상 골절과 참조 골절의 비교
로딩은 수동으로 이루어졌으며; 따라서 힘, 변위, 하중률, 파단 하중, 피로 관련 매개변수는 측정되지 않았습니다. 두 개의 기준판이 파손되어 각 단순화된 하중 방향마다 한 판씩 할당되었습니다. 각 조건에서 한 판만 시험되었기 때문에 실험적 재현성을 평가할 수 없었다. 구측-설하중은 주로 판의 측면 가장자리에서 균열이 시작되고 균열면이 구-설 축을 따라 배치된 균열을 특징으로 합니다. 반면, 상하하중은 상하판 경계에서 균열이 시작되고 지형은 주로 상하축을 따라 배치되었다.
정성적 비교에서 신체 부위 임상 골절은 구강-설 부하 하중 하에 발생한 골절과 형태학적 특성을 더 자주 공유하였다. 이러한 공통 특징에는 측면 경계 균열 개시와 주로 횡방향으로 방향이 형성된 균열 표면 특징이 포함된다. 하악각 부위의 임상 골절은 특히 상하경계에서의 균열 시작과 관찰된 골절 특징의 수직 방향과 관련하여 상하 기준 골절과 더 자주 유사했다.
이 비교들은 임상 골절과 참조 골절 사이에 선택된 질적 형태학적 유사성을 보여주었다. 그러나 참조 실험들이 단순화된 하중 조건을 사용했고, 재구성 판에 작용하는 순환적이고 다방향적인 힘을 생 체 내에서 재현하지 못했기 때문에, 관찰된 유사성은 인과 하중 메커니즘의 결정적 증거라기보다는 정성적이고 가설을 도출하는 것으로 해석되었습니다(그림 6).
참고 실험은 탐색적 질적 비교였으며 생체역학적 검증을 목적으로 한 것이 아닙니다.
에너지 분산 X선 분광법을 통한 원소 조성 평가
에너지 분산형 X선 분광법은 분석 영역에서 티타늄과 산소가 가장 큰 원소 비율을 차지함을 입증했습니다. 5명의 환자에서 소량의 탄소가 검출되었고, 나트륨은 단 1명에서만 검출되었습니다. 분석 부위에서는 예상치 못한 원소 퇴적이나 조성 이상이 발견되지 않았습니다. 값은 선택된 각 균열-표면 영역에서 측정한 단일 면적 측정값을 나타냅니다(표 3). 전체 EDS 스펙트럼과 원시 정량 출력은 보충 파일 1에 제공됩니다.
결론
이 탐색적 회출 연구는 하악재건판의 해부학적 실패 부위 간 균열-표면 형태의 차이를 확인하였습니다. 신체 부위 골절은 구-설축을 따라 형성된 특징이 더 자주 나타났고, 각도-영역 골절은 상하축을 따라 배치된 특징이 더 자주 나타났다. 수작업으로 생성된 참조 골절은 해당 임상 표본과 선택적으로 질적 유사성을 보여주었으나, 탐색적 비교 도구로만 사용되었으며 생체역학적 검증을 목적으로 하지는 않았습니다. 정량적인 힘, 변위, 하중률, 피로 시험 매개변수가 얻어지지 않았고, 실험 모델이 생체 내에서 하악의 복잡한 순환적이고 다방향 하중 환경을 재현하지 못했기 때문에, 이러한 관찰은 인과관계보다는 가설 생성으로 해석되어야 합니다. 이러한 발견은 판 파손과 관련된 기계적 환경이 해부학적 부위에 따라 다를 수 있음을 시사합니다. 표준화된 순환 피로 시험, 정량적 힘 및 변위 측정, 더 큰 동질적 코호트, 유한 요소 분석을 포함한 추가 연구가 필요하며, 부지별 강화 전략을 권고할 수 있습니다.
데이터 가용성:
이 연구에서 생성되거나 분석된 모든 데이터는 원고 및 보충 파일에 포함되어 있습니다. 대표적인 고배율 SEM 이미지, 원시 이미지 데이터셋, 에너지 분산형 X선 분광 스펙트럼, 원시 정량 출력물이 보조 자료로 제공됩니다. 원시 SEM 이미지, EDS 스펙트럼, 정량적 출력, 식별 해제 분석 데이터셋은 DOI: 10.5281/zenodo.20744888의 Zenodo에서 공개되어 있습니다.
그림 1: 회출 기반 프랙토그래픽 연구의 전체 연구 워크플로우. 하악재건 판 골절이 있는 임상 사례를 확인하였고, 회수판은 골절 위치, 판 및 고정 구성, 지지 불편 구간, 기능적 교합 단위, 방사선 치료 노출, 감염 또는 비접합 상태를 기준으로 특징지어졌습니다. 회수된 표본은 세척, 장착, SEM을 사용해 균열 표면 형태와 에너지 분산 X선 분광법을 평가하여 원소 조성을 특성화하였습니다. 두 개의 미사용 기준판은 단순화된 구-언어 및 상하하 하중 조건 하에서 수동으로 파손되었습니다. 임상 및 기준 파단 표면은 추정 균열 시작 경계, 파절면 방향, 전파 축, 줄무늬 또는 해변 자국 같은 특징, 연성 찢어짐, 최종 과부하 구역 등 사전에 정의된 형태학적 기준을 사용하여 질적으로 비교하였다. 이 비교는 가능한 장소 의존적 기계적 환경에 관한 가설을 도출하기 위한 것이었으며, 정량적인 생체역학적 검증으로 간주되지 않았습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 2: 회수된 하악 재건판에서 임상 골절의 해부학적 위치. 7명의 환자(A–G)의 파노라마 방사선 사진으로 하악재건판 골절의 해부학적 위치를 보여줍니다. 골절 부위는 후쪽 몸(A, D, E), 앞쪽 몸(C, D, G), 하악각(B, F, G)에서 확인되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 3: 후악체 골절의 임상 골절을 촬영한 주사 전자현미경 사진. (A,B) 환자 1번과 5번의 균열면에서 구강에서 혀까지 균열 전파와 동심원 피로 줄무늬가 나타난다. (C) 환자 4의 골절면에서 구강 방향 방향의 특징과 연성 찢어짐 및 부서지기 쉬운 부위를 보였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 4: 전부 하악체 골절의 임상 골절을 촬영한 주사 전자현미경 사진. (A) 환자 3의 골절면으로, 구강에서 혀 및 설에서 구강으로 간 방향성 특징이 혼합되어 있으며, 줄무늬와 해변 자국 같은 패턴이 나타난다. (B) 환자 4의 골절면에서 설-구강 방향의 특징과 연성 찢어짐 및 부서지기 쉬운 부위가 보입니다. (C) 환자 7의 골절면에서 입 측 언어 방향에 해변 자국 같은 무늬가 나타납니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 5: 하악각 골절의 임상 골절에 대한 주사 전자현미경 사진. (A) 환자 2의 골절면에서 하위-상부 방향으로 정렬된 특징과 줄무늬 같은 무늬가 있음. (B, C) 환자 6번과 7번의 골절면은 하위-상부 방향의 특징과 연성 찢어짐과 취성성 현상이 복합적으로 나타나는 특징을 보였습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 6: 단순화된 하중 조건에서 생성된 기준 균열 표면. (A) 구강-설부 하중 하중에 발생한 기준 골절과 (B) 상하중 하중 하에 발생한 기준 골절. 화살표는 관찰된 균열면 특징의 주요 방향을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
| 환자 | 성 | 연식 | 진단 | 사이드 | 결함 영역 | 플레이트 시스템 | 두께 (mm) | 나사 구멍 (mm) | 총 플레이트 구멍 | 고정 나사, 전부 (근위/원위) | 운 지지 경간(구멍 개수) | 기능 이온 교합 단위, N | 라디오 치료 | 감염 또는 비유합 | 판 파손 시기 (개월) | |
| 1 | M | 36 | SCC | 중위 | 후방 몸체 | 티타늄 매트릭스 맨더블 재구성 플레이트 (DePuy 합성) | 2.8 | 2.4 | 15 | 8 (4/4) | 7 | 6 | 네 | 아니 | 20 | |
| 2 | M | 76 | SCC | 중위 | 각도 | 범용 2하악 재건판 (스트라이커 라이빙거) | 2.8 | 2.3 | 16 | 10 (5/5) | 6 | 4 | 네 | 아니 | 10 | |
| 3 | F | 30 | 골육종 | Rt | 전면 몸체 | 범용 2하악 재건판 (스트라이커 라이빙거) | 2.8 | 2.3 | 13 | 7 (2/5) | 6 | 8 | 네 | 아니 | 47 | |
| 4 | M | 70 | SCC | Rt | 후방 몸체 | 범용 2하악 재건판 (스트라이커 라이빙거) | 2.8 | 2.3 | 16 | 11 (6/5) | 5 | 6 | 네 | 아니 | 12 | |
| 전면 몸체 | ||||||||||||||||
| 5 | M | 74 | 골수염 | 중위 | 후방 몸체 | 티타늄 매트릭스 맨더블 재구성 플레이트 (DePuy 합성) | 2.8 | 2.4 | 12 | 7 (3/4) | 5 | 8 | 아니 | 아니 | 2 | |
| 6 | F | 79 | 골수염 | Rt | 각도 | OPTIMUS 하악 재건판 (골골) | 2.6 | 2.4 | 16 | 14 (8/6) | 2 | 8 | 아니 | 아니 | 3 | |
| 7 | M | 59 | SCC | Rt | 각도 | Universa 2 하악 재건판 (스트라이커) | 2.8 | 2.3 | 16 | 9 (4/5) | 7 | 6 | 아니 | 아니 | 4 | |
| 전면 몸체 | ||||||||||||||||
표 1: 채취한 하악 재건판의 임상적, 재건적 및 임플란트 특성. 환자의 성별, 나이, 진단, 판 제조사 및 시스템, 명목상 판 프로필(두께, 나사 구멍), 재건된 하악 측, 골절 위치, 판 구멍 총 수, 고정 나사 수 및 분포, 지지 없는 판 길이, 기능적 교합 단위, 방사선 치료 병력, 감염 또는 비접합 상태, 재건부터 판 골절까지의 시간. 기능적 교합 단위는 어금니, 소구치, 앞쪽 영역에서 상악-하악 접촉부를 대조하는 것으로 정의되었으며, 각 접촉 부위는 한 번씩 계산되었다.
| 환자 번호. | 해부학적 골절 부위 | 파단 전파 방향 | 파단 형태 |
| 1 | 후방 몸체 | Buccal à Lingual | 동심원 줄무늬 |
| 2 | 각도 | Inferior à Superior | 줄무늬와 해변 표시 |
| 3 | 전면 몸체 | Buccal à Lingual | 해변 표식들 |
| Lingual à Buccal | |||
| 4 | 후방 몸체 | Buccal à Lingual | 연성과 취성 |
| 전면 몸체 | Lingual à Buccal | 연성과 취성 | |
| 5 | 후방 몸체 | Lingual à Buccal | 동심원 줄무늬 |
| 6 | 각도 | Inferior à Superior | 연성과 취성 |
| 7 | 각도 | Inferior à Superior | 연성과 취성 |
| 전면 몸체 | Buccal à Lingual | 해변 표식들 |
표 2: 주사 전자현미경으로 관찰된 골절된 하악 재건판의 균열 소견. 분석된 각 파단 표면에 대한 해부학적 파단 부위, 크랙 전파 방향, 우세한 파단 형태학 요약.
| 티(Ti) | O | C | 아니 | ||||||
| 환자 번호. | 질량 기준 % | 원자 % | 질량 기준 % | 원자 % | 질량 기준 % | 원자 % | 질량 기준 % | 원자 % | |
| 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 | |||
표 3: 에너지 분산 X선 분광법으로 결정된 골절된 하악 재건판의 원소 조성. 원소 조성은 EDS 면적 분석으로 20 kV에서 정규화된 무게 비율(wt%)과 원자율(at%)로 보고되며, 작동 거리는 10.0 mm입니다.
보조 파일 1: 환자 1–7의 에너지 분산 X선 분광 분석. 주사 전자현미경 이미지는 EDS 분석에 관심 있는 영역과 해당 스펙트럼 및 원소 조성 표를 보여줍니다. 모든 표본에서 티타늄이 우세한 원소였으며, 산소와 함께 판 표면에 티타늄 산화물이 형성된 것과 일치합니다. 3번부터 7번까지는 탄소가 검출되었고, 3번 환자에서는 나트륨이 검출되었습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
토론
이 탐색적 연구는 SEM, 비교 기준 하중, 에너지 분산 X선 분광법을 결합하여 파절 표면 형태를 특성화하고 파절된 하악 재건판에서 부위 관련 방향 패턴을 탐구하는 회출 기반 프로토콜을 제안합니다. 이전 연구들은 직접 재료 및 프랙토그래픽 분석을 통해 피로가 하악재건판 파손의 주요 메커니즘임을 확인했습니다 3,8,12. 다른 연구들은 주로 임상 위험 요인, 판 설계, 또는 계산 및 벤치탑 생체역학 평가에 초점을 맞추고 있습니다. 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17. 본 연구에서는 파절 표면 특징이 해부학적 파단 위치에 따라 달랐다. 신체 부위 골절은 구-설축을 따라 형성된 특징이 더 자주 나타났고, 각도-영역 골절은 상하축을 따라 배치된 특징이 더 자주 나타났다. 단순화된 참조 하중 실험에서는 해당 임상 표본에서 관찰된 것과 질적으로 유사한 선택된 형태학적 특징을 도출했습니다. 이 발견들은 판 파손의 주요 기계적 환경이 해부학적 부위에 따라 달라질 수 있음을 시사하지만, 고유한 인과 하중 메커니즘을 확립하지는 못합니다.
관찰된 차이는 피로 관련 판 파손의 일반 개념을 확장할 가능성을 제시합니다. 하악체에서는 골절이 주로 구강 방향으로 전파되어 측면 굽힘에 취약함을 시사합니다. 그러나 기준 파단 실험은 오로지 정성적이고 탐색적인 형태학적 비교를 위해 설계되었으며, 생체역학적 검증을 목적으로 한 것은 아니었습니다. 하중이 수동으로 가해졌기 때문에 힘, 변위, 하중률, 파단 하중, 피로 시험 매개변수에 대한 정량적 측정은 얻어지지 않았다. 더불어, 이 모델은 생체 내에서 하악 재건판이 경험하는 복잡한 순환적이고 다방향적이며 환자별 부하 환경을 재현하지 못했습니다. 따라서 관찰된 유사성은 표준화된 생체역학 테스트를 통해 확인이 필요한 가설 생성 패턴으로만 해석되어야 합니다.
더 크고 통제된 연구에서 확인된다면, 기계적 환경의 해부학적 차이는 재건판 설계에 영향을 미칠 수 있습니다. 잠재적 전략으로는 판 강성의 지역적 조정, 단면 기하학, 판 두께 또는 보조적 보강 등이 포함될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 현재의 연구 결과만으로는 특정 아부위 특이적 판 구성을 추천하기에는 충분하지 않습니다. 이러한 권고는 결함 길이, 지지되지 않은 판 길이, 고정 방법, 판 윤곽, 잔여 골 지지, 환자별 하중 조건 11,13,14,15,16,17을 고려한 비교 검사가 필요합니다.
에너지 분산형 X선 분광법은 티타늄과 산소를 주요 원소로 검출했으며, 일부 표본에서는 소량의 탄소와 나트륨이 일관되지 않았다. 이러한 미미한 신호들은 진정한 합금 변성보다는 표면 산화, 흡착된 오염물질 또는 생리학적 잔류물에 기인할 가능성이 더 높습니다 18,19,20,21. 분석 영역에서는 예상치 못한 원소 퇴적물이나 조성 이상이 발견되지 않았습니다. 그러나 에너지 분산형 X선 분광법은 국소적인 원소 정보를 제공하며, 국소 부식, 프렛팅, 마찰 부식 또는 기타 표면 열화 과정을 독립적으로 배제할 수 없습니다 18,19,20,21. 따라서 에너지 분산형 X선 분광법 결과는 화학적 열화가 판 파손에 영향을 미치지 않았다는 결정적 증거로 해석되어서는 안 된다. 오히려 파크토학 결과는 점진적인 기계적 파손과 더 잘 맞아떨어졌으며, 부식 관련 과정의 상대적 기여도는 여전히 불확실하다.
회출 기반 파면학은 여러 가지 강점을 가지고 있습니다. 임상 실무에서 실패한 임플란트를 직접 검사하며, 잠재적인 균열 개시 영역, 전파 특징, 최종 파열 구역을 식별할 수 있게 합니다. 또한 가정된 하중 조건에만 의존하지 않고도 골절 형태를 임상 및 해부학적 정보와 연관시킬 수 있습니다. 그러나 회출 분석은 임플란트의 완전한 하중 이력을 재구성하거나 파손 전 작용하는 힘의 크기, 빈도, 방향을 정량화할 수 없습니다. 관찰된 파단 표면은 판 윤곽선, 반복 하중, 국소 응력 집중, 생물학적 노출, 제거, 시료 준비의 복합 효과를 반영할 수 있습니다.
프랙토그래픽 분석의 품질과 신뢰성에 중요한 여러 프로토콜 단계가 있습니다. 회수 과정에서 파단 표면은 긁히거나 기기 접촉으로부터 보호되어야 하며, 기계적 마모 없이 부드럽게 청소해야 합니다. 오염과 2차 손상이 피로 관련 특징을 가릴 수 있기 때문입니다. 부착 전에 판 윤곽과 나사 구멍 구성을 수술 및 방사선 검사 결과와 연관 분석하여 해부학적 방향을 확립해야 합니다; 방향이 불확실한 표본은 불확정으로 분류해야 합니다. 추정 시작 영역, 전파 특징, 최종 파열 영역 간의 공간적 관계를 보존하기 위해 고배율 영상 촬영 전에 전체 균열면에 대한 저배율 검사가 필요합니다. 안전한 전도성 장착과 작업 거리 및 스캔 조건의 적절한 조정은 충전 및 초점 오류를 줄일 수 있습니다. EDS 분석의 경우, 오해를 불러일으키는 원소 신호를 최소화하기 위해 시료 가장자리, 탄소 테이프 또는 눈에 띄는 이물질 근처 지역을 피해야 합니다18. 일관된 영상 조건, 미리 정의된 형태학적 범주, 그리고 독립적인 검토와 합의가 해석 변동성을 줄이는 데 중요하며, 가려지거나 모호한 특징이 있는 균열은 방향 참조 범주에 할당해서는 안 됩니다.
이 프로토콜의 실질적 장점으로는 임상적으로 채취된 임플란트 사용, 최소한의 파괴적 시체 준비, 임상, 방사선, 형태학, 원소 데이터의 통합, 그리고 표준화된 저배율에서 고배율 워크플로우가 있습니다. 이 방법은 전용 기계적 시험 시스템 없이도 기존 SEM 및 EDS 장비를 사용할 수 있는 실험실에서 구현할 수 있습니다. 미리 정의된 방향, 영상 촬영, 분류 절차는 표본과 연구자 간의 재현성을 향상시킬 수 있습니다. 하지만 접근성은 SEM 전문 지식과 적절한 회수 처리 능력에 달려 있습니다.
유한 요소 분석과 표준화된 피로 시험은 상호 보완적인 정보를 제공합니다. 유한요소 해석은 응력 및 변형 분포를 추정하고 결함 기하학, 판 설계, 고정 구성, 하중 가정 13,16,17의 영향을 평가할 수 있습니다. 그러나 그 결과는 근육력, 교합 접촉, 재료 특성, 경계 조건, 뼈-임플란트 상호작용에 관한 가정에 민감하다13,16. 주기적 벤치 탑 피로 시험은 표준 조건 13,15 하에서 구조물 강성, 파손 주기, 피로 강도, 파손 하중 등 정량적 측정을 제공할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 실험은 생체 내에서 마주치는 가변적인 생물학적, 해부학적, 다방향 하중 환경을 단순화할 수밖에 없습니다. 따라서 회출 기반 파면학, 유한 요소 해석, 피로 시험은 상호 보완적인 접근법으로 간주되어야 하며, 상호 교환 가능한 접근법으로 간주되어야 합니다.
이 프로토콜은 두개악안면 연구의 여러 분야에서 유용할 수 있습니다. 기존 판과 환자별 판 간 비교를 용이하게 하고, 회수된 임플란트를 이용한 유한 요소 예측 검증을 지원하며, 다양한 재건 환경에서 가장 취약한 하악 하악 부위를 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다 11,13,14,15,16,17. 또한, 1, 2, 13, 14, 15 부위에서 혈관 기반 골 이식, 하중 분담 구간, 보조 바를 결합한 하이브리드 재건 전략 개발에도 도움이 될 수 있습니다.
몇 가지 한계점을 인정해야 합니다. 첫째, 이 연구는 7명의 환자와 9개의 골절 부위를 대상으로 한 소규모 후향적 회상 연구로, 두 개의 판이 각각 두 개의 골절선을 기여했다; 따라서 일부 관찰은 통계적으로 독립적이지 않았으며, 결과가 일반화되지 않을 수 있습니다. 코호트는 진단, 결손 위치, 방사선 노출, 기능적 교합 단위, 지지 없는 판 길이, 고정 구성, 판 시스템 등에서도 이질적이었습니다. 판 두께, 단면 프로파일, 구멍 형상, 재료 가공, 제조사 특화 설계의 차이가 응력 집중과 파단-표면 형태에 영향을 미쳤을 수 있습니다 11,13,14,15,16. 작고 이질적인 코호트로 인해 해부학적 부위의 영향은 판 시스템 설계의 영향을 분리할 수 없었다.
둘째, 수술 중 굽힘 또는 재굽힘 동작의 수, 위치, 범위에 대해 일관되게 문서화되지 않았습니다. 반복적인 윤곽 형성은 잔류 응력이나 국소적인 기계적 약화를 유발할 수 있어 판 파손에 기여했을 수 있습니다16.
셋째, 기준 파단 모델은 매우 단순화되었다. 따라서 참조 실험은 임상 골절면에서 추론된 하중 방향에 대한 생체역학적 검증으로 해석되어서는 안 됩니다. 각 하중 방향마다 사용되지 않은 판 하나만 시험되었고, 힘, 변위, 하중률, 파단 하중의 정량적 측정 없이 수작업과 단조로 하중이 가해졌습니다. 재현성은 평가할 수 없었고, 모델은 생체 내에서 존재하는 순환적이고 다방향적이며 환자 특이적 힘을 재현하지 못했습니다. 따라서 실험적 균열은 단지 질적 형태학적 기준으로만 사용되었다.
넷째, 임상 골절과 기준 골절 간의 비교는 사전에 정의된 프랙토그래픽 특징에 대한 질적 평가를 기반으로 하였다. 이미지는 독립적으로 검토되었고 의견 차이는 합의로 해결되었으나, 해석은 부분적으로 주관적이었으며, 단열 형태만으로는 원인 하중의 크기나 방향을 독점적으로 결정할 수 없다.
마지막으로, SEM과 에너지 분산형 X선 분광법은 국소적인 구조 및 원소 정보를 제공하지만, 임플란트의 기계적, 생물학적 또는 화학적 역사를 완전히 재구성할 수는없습니다. 현저한 조성 이상이 없다고 해서 국소적인 부식, 프렛팅, 마찰 부식 또는 표면 열화와 피로 간의 상호작용을 배제하지는 못한다 19,20,21. 따라서 이러한 결과는 탐색적이고 가설 형성에 해당하며, 더 큰 검색 코호트, 표준화된 순환 피로 검사, 정량적 기계적 측정, 환자별 유한요소 분석을 통해 확인되어야 합니다.
향후 연구에서는 회출 기반 파단지학을 환자별 기하학, 기능 하중 데이터, 재구성 설계 변수와 통합해야 합니다. 더 큰 다중심 채취 코호트는 특정 결손 패턴이나 고정 전략이 신체 우위 실패 또는 각도 우세 실패를 유발하는지 명확히 할 수 있습니다. 전반적으로 이러한 관찰은 부지별 보강이 유익할 수 있는지에 대한 향후 연구의 기초를 제공하지만, 특정 판 설계 전략을 직접적으로 지지하지는 않습니다.
공개 사항
저자들은 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.
감사의 글
이 연구는 서울대학교 신임 교수 창업기금(번호 860-20250053)의 지원을 받았습니다. 저자들은 서울대학치과병원 직원들에게 표본 취급 및 영상 지원 지원을 제공해 주신 것에 감사드립니다.
재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 에너지 분산형 X-선 분광법 검출기 (Apreo 2) | Thermo Fisher Scientific | 부품 번호 1229004 | 주사전자현미경을 통한 원소 분석에 사용되는 통합 검출기 |
| OPTIMUS 하악 재건 플레이트 | Osteonic | MST326M17 | 본 연구에서 분석된 회수된 골절된 임상 시료 |
| 주사전자현미경 (Apreo 2) | Thermo Fisher Scientific | 부품 번호 1229004 | 골절 표면의 파열학적 검사에 사용 |
| 티타늄 매트릭스 MANDIBLE 재건 플레이트 | DePuy Synthes | 04.503.739 | 본 연구에서 분석된 회수된 골절된 임상 시료 |
| 초음파 목욕탕 | SHARP | UT-106 | 플레이트의 에탄올 세척 |
| 유니버설 2 하악 재건 플레이트 | Stryker Leibinger | 55-28922 55-28920 | 본 연구에서 분석된 회수된 골절된 임상 시료 |
참고문헌
- Paré A, et al. Reconstruction of segmental mandibular defects: current procedures and perspectives. Laryngoscope Investig Otolaryngol. 2019;4:587-596.
- Cordeiro PG, Henderson PW, Matros E. A 20-year experience with 202 segmental mandibulectomy defects: a defect classification system, algorithm for flap selection, and surgical outcomes. Plast Reconstr Surg. 2018;141:571e–581e.
- Almansoori AA, et al. Fracture of standard titanium mandibular reconstruction plates and preliminary study of three-dimensional printed reconstruction plates. J Oral Maxillofac Surg. 2020;78:153-166.
- Ryu JK, et al. Mandibular reconstruction using a titanium plate: the impact of radiation therapy on plate preservation. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1995;32:627-634.
- Shibahara T, Noma H, Furuya Y, Takaki R. Fracture of mandibular reconstruction plates used after tumor resection. J Oral Maxillofac Surg. 2002;60:182-185.
- Seol GJ, et al. Reconstruction plates used in the surgery for mandibular discontinuity defect. J Korean Assoc Oral Maxillofac Surg. 2014;40:266-271.
- Fanzio PM, et al. Plate exposure after anterolateral thigh free-flap reconstruction in head and neck cancer patients with composite mandibular defects. Ann Surg Oncol. 2015;22:3055-3060.
- Martola M, Lindqvist C, Hänninen H, Al-Sukhun J. Fracture of titanium plates used for mandibular reconstruction following ablative tumor surgery. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2007;80:345-352.
- Petrides GA, Fox RJ, Winters R. Factors associated with plate fractures in mandibular reconstruction. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg. 2025;33:242-248.
- Ritschl LM, et al. Retrospective analysis of complications in 190 mandibular resections and simultaneous reconstructions with free fibula flap, iliac crest flap or reconstruction plate: a comparative single centre study. Clin Oral Investig. 2021;25:2905-2914.
- Kreutzer K, et al. Patient-specific 3D-printed mini- versus reconstruction plates for free flap fixation at the mandible: retrospective study of clinical outcomes and complication rates. J Craniomaxillofac Surg. 2023;51:621-628.
- Katakura A, Shibahara T, Noma H, Yoshinari M. Material analysis of AO plate fracture cases. J Oral Maxillofac Surg. 2004;62:348-352.
- Gutwald R, Jaeger R, Lambers FM. Customized mandibular reconstruction plates improve mechanical performance in a mandibular reconstruction model. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2017;20:426-435.
- Zeller AN, Neuhaus MT, Weissbach LVM, et al. Patient-specific mandibular reconstruction plates increase accuracy and long-term stability in immediate alloplastic reconstruction of segmental mandibular defects. J Maxillofac Oral Surg. 2020;19:609–615.
- Kasper R, Winter K, Pietzka S, Schramm A, Wilde F. Biomechanical in vitro study on the stability of patient-specific CAD/CAM mandibular reconstruction plates: a comparison between selective laser melted, milled, and hand-bent plates. Craniomaxillofac Trauma Reconstr. 2021;14:135-143.
- Wan B, et al. On effect of residual stress on fracture behavior of mandibular reconstruction plates. Eng Fract Mech. 2024;305:110158.
- Do J, Han JJ, Lee JH, Kwon IJ. Clinical outcomes and mechanical evaluation of patient-specific mandibular reconstruction following tumor resection: a retrospective study with finite element analysis. World J Surg Oncol. 2026;24:167.
- Newbury DE, Ritchie NWM. Performing elemental microanalysis with high accuracy and high precision by scanning electron microscopy/silicon drift detector energy-dispersive X-ray spectrometry (SEM/SDD-EDS). J Mater Sci. 2015;50:493-518.
- Kuphasuk C, et al. Electrochemical corrosion of titanium and titanium-based alloys. J Prosthet Dent. 2001;85:195-202.
- Zaffe D, Bertoldi C, Consolo U. Element release from titanium devices used in oral and maxillofacial surgery. Biomaterials. 2003;24:1093-1099.
- Rodrigues DC, Valderrama P, Wilson TG Jr, et al. Titanium corrosion mechanisms in the oral environment: a retrieval study. Materials (Basel). 2013;6:5258-5274.
재인쇄 및 허가
이 논문이 게재되었습니다
동영상 곧 제공