Analiza pobierania płyt rekonstrukcyjnych złamanych żuchw za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowskiego

Jiwon Do; Mi Hyun Seo; Jeong Joon Han; Hoon Myoung; Jong-Ho Lee; Ik-Jae Kwon

doi:10.3791/72022

Artykuł badawczy

Analiza pobierania płyt rekonstrukcyjnych złamanych żuchw za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowskiego

101 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/72022

⸱

31 lipca 2026

Jiwon Do¹^,² , Mi Hyun Seo¹^,³ , Jeong Joon Han¹^,² , Hoon Myoung¹^,² , Jong-Ho Lee⁴ , Ik-Jae Kwon¹^,²

¹Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Dental Research Institute, School of Dentistry, Seoul National University, ²Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Oral Cancer Clinic, Seoul National University Dental Hospital, ³Department of One-Stop Specialty Center, Seoul National University Dental Hospital, ⁴Oral Oncology Clinic, National Cancer Center

W tym artykule

Podsumowanie

Ten protokół oparty na odzyskiwaniu łączy mikroskopię skaningową, jakościowe porównanie ze uproszczonymi frakturami referencyjnymi oraz spektroskopię rentgenowską z rozdzielczością energetyczną. Ułamki w rejonie ciała przeważnie wykazywały cechy ukierunkowane policzkowo-językowo, podczas gdy ułamki w rejonie kąta wykazywały orientację górno-dolną, co sugeruje, że środowisko mechaniczne awarii płyty może różnić się w zależności od sublokalizacji anatomicznej.

Streszczenie

Płytki rekonstrukcyjne żuchwy są szeroko stosowane po segmentowej resekcji żuchwy, ale złamanie płytki pozostaje istotną powikłaniem. W niniejszym badaniu przedstawiono protokół oparty na analizie wycofania, który wykorzystuje skaningową mikroskopię elektronową (SEM) do scharakteryzowania morfologii złamań i wywnioskowania kierunków mechanicznego uszkodzenia specyficznych dla danego miejsca w tytanowych płytkach rekonstrukcyjnych żuchwy. Założyliśmy, że orientacja powierzchni złamań będzie różniła się w zależności od anatomicznej lokalizacji złamań i będzie wykazywała jakościowe podobieństwa do referencyjnych złamań wytworzonych w różnych kierunkach obciążeń. Zidentyfikowano siedmiu pacjentów z złamań płytek, co dało dziewięć miejsc złamań. Wycofane płytki zostały oczyszczone, zamontowane i zbadane za pomocą SEM w celu zidentyfikowania miejsc inicjacji pęknięć, linii zmęczenia, znaków plażowych i stref końcowego pęknięcia. Przeprowadzono spektroskopię rentgenowską z rozpraszaniem energii w celu oceny składu pierwiastkowego i wykluczenia nietypowych objawów korozji. Dwie nieużywane referencyjne płytki zostały ręcznie złamane w uproszczonych warunkach obciążeń dolno-górnego i przedniego-tylnego, a ich cechy powierzchni złamań zostały porównane jakościowo z cechami próbek klinicznych. Wszystkie sześć miejsc złamań w regionie ciała wykazywało przeważająco ułożenie powierzchni złamań w kierunku dolno-górnym, podczas gdy trzy miejsca złamań w kącie żuchwy wykazywały przeważająco ułożenie w kierunku przednim-tylnym. Złamania w regionie ciała dzieliły niektóre cechy morfologiczne z dolno-górnym złamaniem referencyjnym, podczas gdy złamanie w regionie kąta wykazywało podobieństwa do złamań referencyjnych przedniego-tylnego. Spektroskopia rentgenowska z rozpraszaniem energii wykryła przede wszystkim tytan i tlen, bez zauważalnych nietypowych osadów lub anomalii składowych. Te ustalenia sugerują, że środowisko mechaniczne uszkodzenia płytki rekonstrukcyjnej żuchwy może różnić się w zależności od anatomicznego podstawowego miejsca. Jednakże, ponieważ eksperymenty referencyjne wykorzystywały jedną próbkę na warunek obciążenia, opierały się na ręcznym, niezmierzonym obciążeniu i nie obejmowały testów zmęczenia cyklicznego, zaobserwowane podobieństwa należy uważać za jakościowe i wyznaczające hipotezy, a nie za ostateczne dowody na mechanizmy przyczynowe obciążeń. Przed rekomendacją sublokalnych strategii projektowania lub wzmacniania płytek konieczne są dalsze ilościowe badania biomechaniczne i komputerowe.

Wprowadzenie

Rekonstrukcja żuchwy po segmentowej mandibulektomii jest niezbędna do przywrócenia ciągłości, konturu twarzy, żucia i mowy u pacjentów z onkologicznymi lub zakaźnymi wadami kości¹^,². Płyty rekonstrukcyjne z tytanu niosące obciążenie są nadal szeroko stosowane, ponieważ zapewniają natychmiastową stabilność, są przydatne chirurgicznie i mogą służyć jako ostateczne leczenie lub jako tymczasowe rozwiązanie przed wtórną rekonstrukcją³^,⁴. Mimo tych zalet, powikłania takie jak ekspozycja płyty, jej utratę stabilności, infekcja i złamanie nadal ograniczają długoterminowe sukcesy⁵^,⁶^,⁷. Złamanie płyty jest szczególnie istotne, ponieważ może wymagać rewizji chirurgicznej i jest często związane z pogorszeniem funkcji i upośledzeniem tkanek miękkich⁵^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹. Badania kliniczne i biomechaniczne sugerują, że czynniki takie jak ekspozycja na promieniowanie, długość defektu, niepodparte prześwity, kształtowanie płyty i strategia mocowania wpływają na ryzyko awarii¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. Jednak dokładny kierunek naprężeń powodujących złamanie w różnych częściach żuchwy pozostaje niedostatecznie zdefiniowany³^,⁵^,⁸^,¹².

Analiza fraktograficzna oferuje bezpośredni sposób na zbadanie awarii implantów na poziomie materiałowym. Fraktografia oparta na skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) umożliwia szczegółową identyfikację pasm zmęczeniowych, domniemanych miejsc inicjacji pęknięć, wzorców przypominających plaże oraz morfologii końcowego pęknięcia, zapewniając w ten sposób jakościowe informacje dotyczące warunków mechanicznych związanych z awarią³^,⁸^,¹². W przeciwieństwie do testów biomechanicznych, które oceniają zachowanie strukturalne w kontrolowanych warunkach obciążenia, lub analizy elementów skończonych, która komputerowo szacuje rozkłady naprężeń i odkształceń, fraktografia oparta na SEM bezpośrednio bada cechy morfologiczne zachowane na odzyskanych powierzchniach pęknięć¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. Jednak podejście to jest przede wszystkim jakościowe i nie może samodzielnie ilościowo określić wielkości obciążenia in vivo ani ustalić unikalnego przyczynowego mechanizmu obciążenia; dlatego najlepiej jest stosować je jako metodę eksploracyjną do identyfikacji wzorców awarii i generowaniu hipotez biomechanicznych.

Chociaż wcześniejsze badania zbadały powierzchnie pęknięć nieudanej płyty żuchwy³^,⁸^,¹², związek między morfologią pęknięcia a miejscem anatomicznym nie został systematycznie wyjaśniony. Celem tego eksploracyjnego badania wyciągania było scharakteryzowanie morfologii powierzchni pęknięcia klinicznie odzyskanych płyt rekonstrukcyjnych żuchwy oraz porównanie zaobserwowanych cech z cechami płyt referencyjnych pękających w uproszczonych warunkach obciążenia językowo-wargowe i górno-dolne. Założyliśmy, że cechy powierzchni pęknięcia będą się różnić w zależności od anatomicznej lokalizacji awarii płyty i wykażą jakościowe podobieństwa do referencyjnych pęknięć wywołanych w różnych kierunkach obciążenia.

Protokół

Wszystkie procedury związane z materiałami pochodzenia ludzkiego zostały przeprowadzone zgodnie z Deklaracją Helsińską i wytycznymi instytucjonalnymi. Protokół badania został zatwierdzony przez Komitet Etyczny Szpitala Stomatologicznego Uniwersytetu Narodowego w Seulu (IRB No. CDE19001). Ponieważ było to badanie retrospektywne z wykorzystaniem anonimowych danych klinicznych i sprzętu usuniętego z bazy danych, wymóg udzielenia zgody na udział w badaniu został uchylony przez komitet. Ogólny przebieg badania składał się z czterech etapów: identyfikacji i klasyfikacji klinicznej usuniętych złamanych płytek, oceny powierzchni złamań na podstawie SEM, analizy EDS oraz porównania jakościowego z uproszczonymi generowanymi złamaniami. Ogólny przebieg badania przedstawiono na Rysunku 1. Użyte odczynniki i sprzęt są wymienione w Tabeli Materiałów.

Identyfikacja kwalifikujących się przypadków i dokumentowanie cech klinicznych, wad i płytek

To retrospektywne badanie rewizyjne obejmowało pacjentów, którzy przeszli rekonstrukcję żuchwy za pomocą obciążonych płytek tytanowych, a następnie wystąpiło u nich złamanie płytki wymagające usunięcia. Przeanalizowano dokumentację kliniczną, zapisy operacyjne i obrazy radiologiczne, aby udokumentować wiek pacjenta, płeć, pierwotną diagnozę, stronę rekonstrukcji, lokalizację defektu, historię napromieniowania, pooperacyjne zakażenie, stan zębów i pozostałe jednostki okluzyjne, czas od rekonstrukcji do złamań oraz anatomiczną lokalizację złamań. Siedmiu pacjentów dostarczyło siedem usuniętych płytek. Dwie płytki miały dwie odrębne linie złamań; dlatego w opisowej analizie fraktograficznej uwzględniono dziewięć miejsc złamań. Pacjent i płytka były uważane za jednostki prób klinicznych, podczas gdy pojedyncze miejsce złamań było używane jako jednostka opisu powierzchni złamań. Lokalizacje złamań klasyfikowano jako tylne ciało, przednie ciało lub kąt żuchwy. Zmienne dotyczące płytki obejmowały system płytki, nominalną grubość płytki, szerokość otworu, liczbę i rozmieszczenie śrub mocujących oraz długość niepodpartej przestrzeni płytki. Dokładną liczbę manewrów zginania i ponownego zginania podczas operacji nie udało się określić, ponieważ szczegóły te nie były spójnie dokumentowane w zapisach operacyjnych. Użyto panoramicznych zdjęć rentgenowskich, aby potwierdzić lokalizację złamań i skorelować wyniki obrazowania ze znalezionymi próbkami.

Analiza morfologii złamań na podstawie SEM

Po usunięciu każdą złamaną płytkę należało starannie przechować, aby zachować powierzchnię złamań. Brutto biologiczny brud został delikatnie usunięty przez przepłukanie próbek destylowaną wodą bez mechanicznego ścierania powierzchni złamań. Każdą próbkę płytki umieszczono w 15-mL stożkowym probówku zawierającym wystarczającą ilość 100% etanolu, aby całkowicie zanurzyć próbkę. Zamknięty probówek umieszczono w kąpieli ultradźwiękowej i poddano ultradźwiękom przez 3 min z częstotliwością 37 kHz, mocą 100 W i temperaturą 37 °C. Po ultradźwiękach próbka została usunięta z probówka i wysuszona w komorze z czystym powietrzem. Ta sama procedura przygotowania została zastosowana do wszystkich próbek klinicznych i referencyjnych. Na powierzchniach złamań nie wykonywano polerowania, szlifowania ani przewodzącego powłoki metalowej. Po wysuszeniu w komorze z czystym powietrzem próbki umieszczono na aluminiowych podstawach za pomocą przewodzącej taśmy z węgla. Zarówno przeciwstawne powierzchnie złamań, jak i dostępne, były początkowo badane w niskiej powiększeniu. Wybrana powierzchnia do szczegółowego obrazowania musiała wykazywać widoczne obwodowe i środkowe obszary złamań, minimalne zanieczyszczenia zasłaniające cechy morfologiczne, brak wyraźnych rys powiązanych z usunięciem ani śladów narzędzi oraz brak znacznego zgniecenia, wygięcia lub odkształcenia po złamaniu. Gdy obie powierzchnie spełniały te kryteria, obie były zachowywane do analizy. Orientację anatomiczną określano przez dopasowanie konturu płytki, konfiguracji otworów na śruby i lokalizacji złamań z zapisami operacyjnymi i panoramicznymi zdjęciami rentgenowskimi. Powierzchnia skierowana ku kości została określona jako strona językowa, a przeciwna strona jako strona policzkowa, podczas gdy kierunki górny i dolny były określane względem położenia płytki w stosunku do granicy żuchwy. Te kierunki zostały oznaczone i zachowane podczas montażu na aluminiowym podłożu.

Zmontowane próbki badano za pomocą wtórnego obrazu elektronowego za pomocą wtórnego detektora elektronów w powiększeniach 80×, 200×, 400× i 1000×. Przy powiększeniu około 80× badacze najpierw potwierdzili, że cała powierzchnia złamań, obrzeża obwodowe i środkowy obszar pęknięcia były odpowiednio widoczne. Następnie zidentyfikowano domniemaną strefę inicjacji pęknięcia i końcową strefę przeciążenia przed ukierunkowanym obrazem w powiększeniu 200×, 400× i 1000×. Obrazy prze

Wyniki

Identyfikacja kwalifikujących się przypadków oraz dokumentowanie charakterystyki klinicznej, wady i płytek

Do analizy opartej na odzyskiwaniu materiałów wyłoniono siedmiu pacjentów z złamanymi płytkami rekonstrukcyjnymi żuchwy. Kohorta obejmowała pięciu mężczyzn i dwie kobiety, ze średnim wiekiem 60,6 lat (zakres: od 30 do 79 lat) w momencie złamania. Rozpoznania podstawowe obejmowały raka kolczystokomórkowego u czterech pacjentów, zapalenie kostne u dwóch pacjentów oraz kostniak osteosarkoma u jednego pacjenta. Średni odstęp czasu od operacji rekonstrukcyjnej do złamania płytki wynosił 14 miesięcy (zakres: od 2 do 47 miesięcy). Rekonstrukcję wykonano w lewej żuchwie u trzech pacjentów i w prawej żuchwie u czterech pacjentów. Miejsca złamań rozkładały się równomiernie pomiędzy trzy regiony anatomiczne: tylną część trzonu (n = 3), przednią część trzonu (n = 3) oraz kąt żuchwy (n = 3). Reprezentowane były cztery systemy płytek rekonstrukcyjnych. Płytki posiadały medianę 16 otworów (zakres: 12–16 otworów). Mediana całkowitej liczby śrub mocujących wynosiła 9 (zakres: 7–14), przy czym od 2 do 8 śrub umieszczono w segmencie proksymalnym, a od 4 do 6 śrub w segmencie dystalnym. Niezawieszony odcinek płytki miał medianę długości 6 otworów płytki (zakres: 2–7 otworów). Liczba funkcjonalnych jednostek okluzyjnych wynosiła od czterech do ośmiu, z medianą sześciu jednostek. Czterech pacjentów przeszło radioterapię, natomiast trzech nie. W momencie złamania płytki u żadnego z pacjentów nie odnotowano pooperacyjnego zakażenia ani braku zrostu. Szczegółowe specyfikacje dla każdej płytki, w tym producent i system płytki, grubość nominalna, szerokość otworu, szczegóły mocowania oraz niezawieszony odcinek, przedstawiono na Rysunku 2 oraz w Tabeli 1.

Analiza morfologii przełomu oparta na SEM

Badanie SEM ujawniło różnice w obserwowanej morfologii powierzchni przełomu związane z lokalizacją. W obszarze trzonu żuchwy we wszystkich sześciu miejscach przełomu w tym regionie zaobserwowano przeważnie orientację policzko-językową cech powierzchni przełomu (Rysunek 3 oraz Rysunek 4).

W pęknięciach w obrębie trzonu zaobserwowano prążkowanie oraz wzory przypominające linie brzegowe na krawędziach policzkowych lub językowych. Cechy te uznano za zgodne z postępującym wzrostem pęknięcia pod wpływem wielokrotnego obciążenia, choć wielkości i kierunku obciążenia in vivo nie można było określić na podstawie samej morfologii. W miarę postępu propagacji pęknięcia przez płytkę, obszary obwodowe często przechodziły w morfologię pękania kruchego. W grupie kąta żuchwy zaobserwowane cechy powierzchni pęknięcia były zorientowane głównie wzdłuż osi górno-dolnej (Rysunek 5).

Domniemany obszar inicjacji pęknięcia znajdował się na krawędzi płytki górnej lub dolnej w 3/3 preparatach. W 3/3 preparatach zaobserwowano pionowo zorientowane cechy plastycznego rozdarcia oraz obszary o charakterze kruchym, rozciągające się przez całą grubość płytki. Obserwacje te były zgodne z różnicami w morfologii pęknięcia powiązanymi z lokalizacją; jednak sama morfologia pęknięcia nie pozwoliła na ustalenie wartości ani kierunku przyczynowego obciążeń in vivo (Tabela 2).

Reprezentatywne mikrofotografie SEM o dużym powiększeniu oraz odpowiadający im zestaw surowych obrazów dla każdego miejsca pęknięcia znajdują się w Pliku uzupełniającym 1.

Porównanie złamań klinicznych ze złamaniami referencyjnymi w uproszczonych warunkach obciążenia

Obciążenie było aplikowane ręcznie, w związku z czym nie pomiarzono siły, przemieszczenia, szybkości obciążania, obciążenia krytycznego ani parametrów związanych ze zmęczeniem materiału. Rozłamano dwie płytki referencyjne, przypisując jedną płytkę do każdego z uproszczonych kierunków obciążenia. Ponieważ w każdym wariancie badano tylko jedną płytkę, nie można było ocenić powtarzalności eksperymentalnej. Obciążenie w kierunku policzkowo-językowym spowodowało pęknięcia charakteryzujące się głównie inicjacją szczeliny na bocznych krawędziach płytki oraz cechami powierzchni przełomu zorientowanymi wzdłuż osi policzkowo-językowej. Z kolei obciążenie w kierunku górno-dolnym doprowadziło do pęknięć z inicjacją szczeliny na górnej lub dolnej krawędzi płytki oraz cechami zorientowanymi głównie wzdłuż osi górno-dolnej.

W porównaniu jakościowym złamania kliniczne w obrębie trzonu częściej wykazywały cechy morfologiczne wspólne ze złamaniami wywołanymi obciążeniem w kierunku policzkowo-językowym. Wspólne cechy te obejmowały inicjację pęknięcia na krawędzi bocznej oraz przeważnie poprzeczną orientację cech powierzchni złamania. Złamania kliniczne w kącie żuchwy częściej przypominały referencyjne złamania w kierunku górno-dolnym, szczególnie pod względem inicjacji pęknięcia na krawędzi górnej lub dolnej oraz pionowej orientacji zaobserwowanych cech złamania.

Porównania te wykazały wybrane jakościowe podobieństwa morfologiczne między złamaniami klinicznymi a referencyjnymi. Jednakże, ponieważ w eksperymentach referencyjnych zastosowano uproszczone warunki obciążenia i nie odtworzono cyklicznych, wielokierunkowych sił działających na płytki rekonstrukcyjne in vivo, zaobserwowane podobieństwa zinterpretowano jako jakościowe i służące do formułowania hipotez, a nie jako definitywny dowód na przyczynowy mechanizm obciążenia (Rycina 6).

Eksperymenty referencyjne miały charakter eksploracyjnych porównań jakościowych i nie były przeznaczone do walidacji biomechanicznej.

Ocena składu pierwiastkowego za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii

Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii wykazała, że tytan i tlen stanowiły największe wykryte proporcje pierwiastkowe w analizowanych obszarach. Niewielkie ilości węgla wykryto u pięciu pacjentów, a sód stwierdzono tylko u jednego pacjenta. W analizowanych miejscach nie wykryto żadnych wyraźnych nieoczekiwanych osadów pierwiastkowych ani nieprawidłowości w składzie. Wartości reprezentują pomiar pojedynczego obszaru z każdego wybranego regionu powierzchni przełomu (Tabela 3). Pełne widma EDS oraz surowe wyniki ilościowe znajdują się w Pliku uzupełniającym 1.

Podsumowanie

To eksploracyjne badanie retrospektywne zidentyfikowało różnice w morfologii powierzchni przełomu w zależności od anatomicznego miejsca uszkodzenia płyt rekonstrukcyjnych żuchwy. Złamania w obrębie trzonu częściej wykazywały cechy zorientowane wzdłuż osi policzkowo-językowej, podczas gdy złamania w obrębie kąta częściej wykazywały cechy zorientowane wzdłuż osi górno-dolnej. Ręcznie generowane przełomy referencyjne wykazały wybrane podobieństwa jakościowe do odpowiadających im preparatów klinicznych, lecz służyły jedynie jako porównania eksploracyjne i nie miały na celu walidacji biomechanicznej. Ponieważ nie uzyskano ilościowych parametrów siły, przemieszczenia, szybkości obciążania ani testów zmęczeniowych, a model eksperymentalny nie odwzorował złożonego cyklicznego i wielokierunkowego środowiska obciążeń żuchwy in vivo, obserwacje te należy interpretować jako generujące hipotezy, a nie jako dowody przyczynowe. Wyniki te wskazują na możliwość, że środowisko mechaniczne związane z uszkodzeniem płyty może różnić się w zależności od anatomicznego podregionu. Przed zarekomendowaniem specyficznych dla danego miejsca strategii wzmocnień wymagane są dalsze badania obejmujące standaryzowane cykliczne testy zmęczeniowe, ilościowe pomiary siły i przemieszczenia, większe homogeniczne kohorty oraz analizę elementów skończonych.

DOSTĘPNOŚĆ DANYCH:

Wszystkie dane wygenerowane lub przeanalizowane w niniejszym badaniu zostały zawarte w manuskrypcie oraz w jego plikach uzupełniających. Reprezentatywne obrazy SEM o dużym powiększeniu, surowe zestawy obrazów, widma spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii oraz surowe wyniki ilościowe zostały udostępnione jako materiały uzupełniające. Surowe obrazy SEM, widma EDS, wyniki ilościowe oraz zanonimizowany zestaw danych analitycznych są publicznie dostępne w serwisie Zenodo pod adresem DOI: 10.5281/zenodo.20744888.

Proces analizy fraktograficznej za pomocą SEM/EDS złamanych płytek stomatologicznych; przygotowanie, ocena, interpretacja.
Rycina 1: Ogólny schemat postępowania w badaniu fraktograficznym opartym na analizie odzyskanych implantów. Zidentyfikowano przypadki kliniczne ze złamanymi płytkami do rekonstrukcji żuchwy, a odzyskane płytki scharakteryzowano pod kątem lokalizacji złamania, konfiguracji płytki i fiksacji, niepodpartej rozpiętości, funkcjonalnych jednostek zgryzowych, ekspozycji na radioterapię oraz wystąpienia infekcji lub braku zrostu. Odzyskane próbki oczyszczono, zamocowano i zbadano za pomocą SEM w celu oceny morfologii powierzchni przełomu oraz spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii w celu scharakteryzowania składu pierwiastkowego. Dwie nieużywane płytki referencyjne złamano manualnie w uproszczonych warunkach obciążenia policzkowo-językowego i górno-dolnego. Powierzchnie przełomów klinicznych i referencyjnych porównano jakościowo przy użyciu zdefiniowanych kryteriów morfologicznych, w tym domniemanego marginesu inicjacji pęknięcia, orientacji płaszczyzny złamania, osi propagacji, cech przypominających prążki lub linie przypływowe, rozrywania plastycznego oraz końcowej strefy przeciążenia. Porównanie miało na celu sformułowanie hipotez dotyczących możliwych, zależnych od miejsca obciążeń mechanicznych i nie było traktowane jako ilościowa walidacja biomechaniczna. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Lokalizacja anatomiczna złamań klinicznych w usuniętych płytach do rekonstrukcji żuchwy. Panoramiczne zdjęcia rentgenowskie siedmiu pacjentów (A–G) przedstawiające lokalizacje anatomiczne złamań płyt do rekonstrukcji żuchwy. Miejsca złamań zidentyfikowano w tylnej części trzonu (A,D,E), przedniej części trzonu (C,D,G) oraz w kącie żuchwy (B,F,G). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Zdjęcia SEM mikrostruktury materiału; strzałki wskazują analizę pęknięć, paski skali 1mm i 100μm.
Rysunek 3: Skaningowe mikrografie elektronowe klinicznych pęknięć w tylnych częściach trzonu żuchwy. (A,B) Powierzchnie pęknięć u Pacjentów 1 i 5 wykazujące propagację pęknięcia od strony policzkowej do językowej z koncentrycznymi prążkami zmęczeniowymi. (C) Powierzchnia pęknięcia u Pacjenta 4 wykazująca cechy zorientowane policzkowo-językowo z obszarami plastycznego rozdzierania i obszarami o charakterze kruchym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Analiza SEM powierzchni pęknięć, wykres pokazujący szczegóły mikrostrukturalne w różnych skalach.
Rycina 4: Skaningowe mikrografie elektronowe klinicznych pęknięć w przednim odcinku trzonu żuchwy. (A) Powierzchnia pęknięcia u Pacjenta 3 wykazująca mieszane cechy kierunkowe od policzkowej do językowej oraz od językowej do policzkowej, z oznaczeniami przypominającymi prążki i wzorami typu linii plażowych. (B) Powierzchnia pęknięcia u Pacjenta 4 wykazująca cechy zorientowane językowo-policzkowo z obszarami plastycznego rozrywania i obszarami o wyglądzie kruchym. (C) Powierzchnia pęknięcia u Pacjenta 7 wykazująca cechy zorientowane policzkowo-językowo z wzorami typu linii plażowych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Analiza mikrostruktury przekroju poprzecznego materiałów kompozytowych za pomocą SEM; szczegół powierzchni przełomu.
Rycina 5: Skaningowe mikrografie elektronowe złamań klinicznych w obrębie kąta żuchwy. (A) Powierzchnia przełomu u Pacjenta 2 wykazująca cechy zorientowane w kierunku dolno-górnym z prążkowanymi oznaczeniami. (B,C) Powierzchnie przełomów u Pacjentów 6 i 7 wykazujące cechy zorientowane w kierunku dolno-górnym z połączonymi obszarami plastycznego rozrywania i obszarami o wyglądzie kruchym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Obrazy z skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) przedstawiające analizę mikrostruktury ze strzałkami kierunkowymi.
Rysunek 6: Referencyjne powierzchnie przełomu powstałe w uproszczonych warunkach obciążenia. (A) Przełom referencyjny powstały pod wpływem obciążenia w kierunku policzkowo-językowym oraz (B) przełom referencyjny powstały pod wpływem obciążenia w kierunku górno-dolnym. Strzałki wskazują przeważającą orientację obserwowanych cech powierzchni przełomu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Pacjenci	Płeć	Wiek	Rozpoznanie	Strona	Obszar ubytku	System płytowy	Grubość (mm)	Otwór na śrubę (mm)	Całkowita liczba otworów w płycie	Śruby mocujące, łącznie (proksymalne/dystalne)	Nie podparte przęsło (liczba otworów)	Funkcjonalne jednostki okluzyjne, n	Radio terapia	Infekcja lub brak zrostu	Czas do złamania płyty (miesiące)
1	M	36	SCC	L	Tylna część trzonu	Titanium MatrixMANDIBLE Reconstruction Plate (DePuy Synthes)	2.8	2.4	15	8 (4/4)	7	6	tak	nie	20
2	M	76	SCC	L	Kąt	Universal 2 Mandible Reconstruction Plate (Stryker Leibinger)	2.8	2.3	16	10 (5/5)	6	4	tak	nie	10
3	F	30	Osteosarcoma	P	Przednia część trzonu	Universal 2 Mandible Reconstruction Plate (Stryker Leibinger)	2.8	2.3	13	7 (2/5)	6	8	tak	nie	47
4	M	70	SCC	P	Tylna część trzonu	Universal 2 Mandible Reconstruction Plate (Stryker Leibinger)	2.8	2.3	16	11 (6/5)	5	6	tak	nie	12
4	M	70	SCC	P	Przednia część trzonu		2.8	2.3	16	11 (6/5)	5	6	tak	nie	12
5	M	74	Osteomyelitis	L	Tylna część trzonu	Titanium MatrixMANDIBLE Reconstruction Plate (DePuy Synthes)	2.8	2.4	12	7 (3/4)	5	8	nie	nie	2
6	F	79	Osteomyelitis	P	Kąt	OPTIMUS Mandible Reconstruction Plate (Osteonic)	2.6	2.4	16	14 (8/6)	2	8	nie	nie	3
7	M	59	SCC	P	Kąt	Universa 2 Mandible Reconstruction Plate (Stryker)	2.8	2.3	16	9 (4/5)	7	6	nie	nie	4
7	M	59	SCC	P	Przednia część trzonu	Universa 2 Mandible Reconstruction Plate (Stryker)	2.8	2.3	16	9 (4/5)	7	6	nie	nie	4

Tabela 1: Charakterystyka kliniczna, rekonstrukcyjna i implantologiczna wyjętych płyt do rekonstrukcji żuchwy.Podsumowanie płci i wieku pacjentów, diagnozy, producenta i systemu płyt, nominalnego profilu płyty (grubość, otwór na śrubę), strony rekonstruowanej żuchwy, lokalizacji złamania, całkowitej liczby otworów w płycie, liczby i rozmieszczenia śrub mocujących, niepodpartej rozpiętości płyty, funkcjonalnych jednostek zgryzowych, historii radioterapii, stanu zakażenia lub braku zrostu oraz czasu od rekonstrukcji do złamania płyty. Funkcjonalne jednostki zgryzowe zdefiniowano jako przeciwstawne kontakty szczęka–żuchwa w regionach trzonowców, przedtrzonowców i przednich, przy czym każdą jednostkę kontaktową liczono raz.

Nr pacjenta	Anatomiczne miejsce złamania	Kierunek propagacji pęknięcia	Morfologia przełomu
1	tylna część ciała	Policzkowo-językowo	Prążki koncentryczne
2	Kąt	Dolny do górnego	Prążki i linie przerostu
3	Przednia część ciała	Od policzka do języka	Linie zmęczeniowe
3	Przednia część ciała	Językowy do policzkowego	Linie zmęczeniowe
4	tylna część ciała	Policzkowo-językowo	Kruchość i ciągliwość
4	Przednia część ciała	Językowy do policzkowego	Kruche i ciągliwe
5	Odcinek tylny ciała	Z językowego na policzkowy	Prążki koncentryczne
6	Kąt	Dolny do górnego	Kruchość i ciągliwość
7	Kąt	Od dolnego do górnego	Kruchy i ciągliwy
7	Przednia część ciała	Policzkowa do językowej	Linie plażowe

Tabela 2: Wyniki fraktograficzne złamanych płyt do rekonstrukcji żuchwy obserwowane za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Podsumowanie anatomicznego miejsca złamania, kierunku propagacji pęknięcia oraz dominującej morfologii złamania dla każdej analizowanej powierzchni przełomu.

	Ti		O		C		Na
Nr pacjenta	% normalizacji masy	% atomowy	% normy masy	% atomowy	% normy masy	% atomowy	% normy masy	% atomowy
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

Tabela 3: Skład pierwiastkowy złamanych płyt do rekonstrukcji żuchwy określony za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z detekcją energii (EDS). Skład pierwiastkowy przedstawiono jako znormalizowany procent masowy (wt%) oraz procent atomowy (at%) uzyskane w drodze analizy powierzchniowej EDS przy napięciu 20 kV i odległości roboczej 10,0 mm.

Plik uzupełniający 1: Analiza spektroskopowa energii dyspersyjnej promieniowania rentgenowskiego (EDS) u pacjentów 1–7. Obrazy z scanning electron microscopy przedstawiają wybrane obszary zainteresowania poddane analizie EDS, wraz z odpowiadającymi im widmami i tabelami składu pierwiastkowego. Tytan był dominującym pierwiastkiem we wszystkich próbkach, wraz z tlenem, co jest zgodne z tworzeniem się tlenku tytanu na powierzchni płytki. Węgiel wykryto u pacjentów 3–7, a sód u pacjenta 3.Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Niniejsze badanie eksploracyjne proponuje protokół oparty na odzyskiwaniu, który łączy SEM, porównawcze obciążenie referencyjne i energetyczną spektroskopię rentgenowską do charakteryzacji morfologii powierzchni złamań i badania kierunkowości wzorców związanych z miejscem złamań w odbudowanych płytkach szczękowych. Poprzednie badania zidentyfikowały zmęczenie jako główny mechanizm awarii płytek rekonstrukcyjnych szczęki poprzez bezpośrednią analizę materiałową i fraktograficzną³^,⁸^,¹². Inne badania koncentrowały się głównie na czynnikach ryzyka klinicznego, projekcie płytki, ewaluacji biomechanicznej komputerowej i na ławce doświadczalnej⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷. W niniejszym badaniu cechy powierzchni złamań różniły się w zależności od anatomicznej lokalizacji złamań. Złamania w rejonie ciała częściej wykazywały cechy ustawione wzdłuż osi policzkowo-językowej, podczas gdy złamania w rejonie kątowym częściej wykazywały cechy ustawione wzdłuż osi górno-dolnej. Uproszczone eksperymenty z obciążeniem referencyjnym dały cechy morfologiczne jakościowo podobne do tych obserwowanych w odpowiednich próbkach klinicznych. Te odkrycia sugerują, że dominujące środowisko mechaniczne awarii płytki może się różnić w zależności od anatomicznego podlokalizatora, choć nie ustanawiają one jednoznacznego przyczynowego mechanizmu obciążenia.

Zaobserwowane różnice dostarczają możliwej rozszerzenia ogólnego pojęcia awarii płytki związanej z zmęczeniem. W części ciemieniowej szczęki złamanie przede wszystkim propagowało się wzdłuż kierunku policzkowo-językowego, co sugeruje podatność na boczne naprężenia zginające. Jednakże eksperymenty z łamaniem referencyjnym były zaprojektowane wyłącznie na potrzeby jakościowych, eksploracyjnych porównań morfologicznych i nie były przeznaczone do walidacji biomechanicznej. Ponieważ obciążenie było stosowane ręcznie, nie uzyskano żadnych ilościowych pomiarów siły, przemieszczenia, szybkości obciążenia, siły łamania lub parametrów testów zmęczeniowych. Ponadto model nie odtworzył złożonego cyklicznego, wielokierunkowości i specyficznego dla pacjenta środowiska obciążenia doświadczanego przez płytki rekonstrukcyjne in vivo. Zgodnie z tym, zaobserwowane podobieństwa powinny być interpretowane jedynie jako wzorce generowane hipotezy, które wymagają potwierdzenia poprzez standaryzowane testy biomechaniczne.

Jeśli zostanie potwierdzone w większych i bardziej kontrolowanych badaniach, anatomiczna różnorodność w środowisku mechanicznym może mieć implikacje dla projektu płytki rekonstrukcyjnej. Potencjalne strategie mogą obejmować regionalną modyfikację sztywności płytki, geometrii przekroju poprzecznego, grubości płytki lub uzupełniającego wzmocnienia. Niemniej, obecne wyniki są niewystarczające, aby zalecić konkretną konfigurację płytki specyficzną dla podlokalizatora. Takie rekomendacje wymagałyby komparatywnych testów, które uwzględniałyby długość defektu, niepodparte rozpiętość płytki, metodę fiksacji, kształtowanie płytki, pozostałe wsparcie kostne i warunki obciążenia specyficzne dla pacjenta¹¹^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷.

Energetyczna spektroskopia rentgenowska wykryła tytan i tlen jako dominujące elementy, z małymi i niespójnymi ilościami węgla i sodu w podzbiorze próbek. Te nieznaczne sygnały są bardziej prawdopodobnie przypisane do utleniania powierzchni, adsorbowanych zanieczyszczeń lub fizjologicznych pozostałości niż do prawdziwej zmiany stopu¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹. Żadne zauważalne nieoczekiwane złożenia pierwiastków lub anomalie składu nie zostały zidentyfikowane w analizowanych regionach. Jednakże energetyczna spektroskopia rentgenowska zapewnia zlokalizowanych informacji o pierwiastkach i nie może niezależnie wykluczyć zlokalizowanych procesów korozji, frettingu, tribokorozji lub innych procesów degradacji powierzchni¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹. Dlatego wyniki energetycznej spektroskopii rentgenowskiej nie powinny być interpretowane jako ostateczne dowody na to, że chemiczna degradacja nie odegrała roli w awarii płytki. Zamiast tego, fraktograficzne wyniki były bardziej zgodne z progresywnym mechanicznym niepowodzeniem, podczas gdy wkład procesów związanych z korozją pozostaje niepewny.

Fraktografia oparta na odzyskiwaniu ma kilka zalet. Bezpośrednio bada implanty, które nie powiodły się w praktyce klinicznej i umożliwia identyfikację potencjalnych regionów inicjacji pęknięcia, cech propagacji i stref końcowych pę

Oświadczenia

Autorzy deklarują, że nie mają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

To dzieło zostało wspierane przez New Faculty Startup Fund z Seoul National University (nr 860-20250053). Autorzy dziękują personelowi Seoul National University Dental Hospital za pomoc w obsłudze próbek i wsparcie w zakresie obrazowania.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Energy-dispersive X-ray spectroscopy detector (Apreo 2)	Thermo Fisher Scientific	Part No. 1229004	Zintegrowany detektor używany do analizy elementowej podczas skanującej mikroskopii elektronowej
OPTIMUS Mandible Reconstruction Plate	Osteonic	MST326M17	Odzyskany złamany próbki kliniczne analizowane w tym badaniu
Scanning electron microscope (Apreo 2)	Thermo Fisher Scientific	Part No. 1229004	Używany do badania fraktograficznego powierzchni pęknięć
Titanium MatrixMANDIBLE Reconstruction Plate	DePuy Synthes	04.503.739	Odzyskany złamany próbki kliniczne analizowane w tym badaniu
Ultrasonic bath	SHARP	UT-106	Czyszczenie płytek w alkoholu
Universal 2 Mandible Reconstruction Plate	Stryker Leibinger	55-28922 55-28920	Odzyskany złamany próbki kliniczne analizowane w tym badaniu

Bibliografia

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.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Medycyna Wydanie 233 Wydanie 233 Wartość pusta Wydanie Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)Tytan Płyta rekonstrukcyjna złamanie zmęczenie materiału

Ten artykuł został opublikowany

Film wkrótce dostępny

Informuj mnie o aktualizacjach: