Этот протокол на основе извлечения сочетает сканирующую электронную микроскопию, качественное сравнение с упрощёнными опорными переломами и энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию. Переломы в области тела преимущественно демонстрировали букко-лингвальные особенности, тогда как переломы в области углов имели верхнюю нижнюю ориентацию, что указывает на то, что механическая среда разрушения пластин может варьироваться в зависимости от анатомического подучастка.
Исследовательская статья
Анализ реконструкции переломов нижней челюсти с использованием сканирующей электронной микроскопии
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Пластины для реконструкции нижней челюсти широко используются после сегментарной нижней челюсти, но перелом пластины остаётся значительным осложнением. В данном исследовании представлен протокол, основанный на извлечении, который использует сканирующую электронную микроскопию (SEM) для характеристики морфологии перелома и определения специфичных для места механических направлений разрушения в титановых пластинах реконструкции нижней челюсти. Мы выдвинули гипотезу, что ориентация поверхности перелома будет различаться в зависимости от анатомического расположения и проявлять качественное сходство с опорными трещинами, возникшими при разных направлениях нагрузки. Были выявлены семь пациентов с переломами пластин, что позволило выявить девять мест переломов. Извлечённые пластины были очищены, установлены и обследованы SEM для выявления мест инициации трещин, усталостных полос, пляжных следов и окончательных зоны разрыва. Для оценки элементного состава и исключения аномалии, связанных с коррозией, была проведена энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия. Две неиспользованные опорные пластины были ручно разрушены под упрощённой букко-лингвальной и верхне-нижней нагрузкой, а их поверхность разрушения качественно сравнивалась с клиническими образцами. Все шесть мест переломов в области тела демонстрировали преимущественно букко-лингвально ориентированные особенности поверхности переломов, тогда как три участка переломов под нижним углом нижней нижней челюсти имели преимущественно верхнюю нижнюю ориентацию. Переломы в области тела имели определённые морфологические особенности с букко-лингвальной опорной переломкой, тогда как переломы в области углов имели сходство с верхним-нижним эталонным переломом. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия выявила преимущественно титан и кислород, без заметных неожиданных отложений или отклонений в составе. Эти данные свидетельствуют о том, что механическая среда разрушения реконструкционной пластины нижней челюсти может различаться в зависимости от анатомического подучастка. Однако, поскольку в эталонных экспериментах использовался один образец на каждую нагрузку, основывался на ручной, неколичественно измеренной нагрузке и не было циклического тестирования на усталость, наблюдаемые сходства следует рассматривать как качественные и гипотезующие факторы, а не как окончательные доказательства причинных механизмов нагрузки. Для того как можно будет рекомендовать стратегии проектирования или усиления, специфичных для субсайта, необходимы дальнейшие количественные биомеханические и вычислительные исследования.
Введение
Реконструкция нижней челюсти после сегментарной нижней челюсти необходима для восстановления непрерывности, контура лица, жевания и речи у пациентов с онкологическими или инфекционными дефектами кости 1,2. Несущие титановые реконструкционные пластины остаются широко используемыми, поскольку обеспечивают мгновенную стабильность, хирургически практичны и могут служить либо окончательным лечением, либо временным решением перед вторичнойреконструкцией 3,4. Несмотря на эти преимущества, осложнения, такие как обнажение пластин, ослабление, инфекция и перелом, продолжают ограничивать долгосрочныйуспех 5,6,7. Перелом пластины особенно важен, поскольку может потребовать повторной операции и часто сопровождается ухудшением функционального ухудшения и нарушениями мягкихтканей 5,8,9,10,11. Клинические и биомеханические исследования показали, что такие факторы, как радиационное воздействие, длина дефекта, неподдерживаемый размах, контурирование пластин и стратегия фиксации, влияют на риск отказа 12,13,14,15,16. Однако точная направленность напряжений, вызывающих перелом в различных подучастках нижней челюсти, остаётся недостаточноопределенной 3,5,8,12.
Фрактографический анализ предлагает прямой способ исследовать разрушение имплантата на уровне материала. Фрактография на основе сканирующей электронной микроскопии (SEM) позволяет детально идентифицировать усталостные полосы, предполагаемые места инициации трещин, паттерны, напоминающие пляжные метки, и морфологию окончательного разрыва, предоставляя качественную информацию о механических условиях, связанных сразрушением 3,8,12. В отличие от биомеханических испытаний, которые оценивают структурное поведение при контролируемых нагрузках, или конечноэлементного анализа, который вычислительно оценивает распределение напряжений и деформаций, фрактография на основе SEM непосредственно исследует морфологические особенности, сохранившиеся на извлечённых поверхностяхразрушения 13, 14, 15, 16. Однако этот подход прежде всего качественный и не может независимо количественно определить величину нагрузки in vivo или установить уникальный механизм причинной нагрузки; поэтому его наиболее уместно использовать как исследовательский метод для выявления закономерностей отказов и формирования биомеханических гипотез.
Хотя предыдущие исследования изучали поверхности переломов разрушенных нижних пластин3, 8, 12, связь между морфологией перелома и анатомическим участком не была систематически прояснена. Целью этого исследовательского исследования было охарактеризовать морфологию поверхности перелома клинически извлеченных реконструктивных пластин нижней челюсти и сравнить наблюдаемые признаки с референтными пластинами, треснувшими при упрощённых буко-лингвальных и верхне-нижних нагрузках. Мы выдвинули гипотезу, что особенности поверхности перелома будут отличаться по анатомическому расположению разрушения пластины и иметь качественное сходство с эталонными трещинами, возникшими при разных направлениях нагрузки.
Протокол
Все процедуры, связанные с материалами, полученными от человека, выполнялись в соответствии с Хельсинкской декларацией и институциональными руководящими принципами. Протокол исследования был утверждён Институциональным обзорным советом стоматологической больницы Сеульского национального университета (IRB No. CDE19001). Поскольку это было ретроспективное исследование с использованием деидентифицированных клинических данных и извлечённого оборудования, полученного из базы данных эксплантов, требование информированного согласия было отменено советом. Общий процесс исследования состоял из четырёх этапов: идентификация и клиническая классификация извлекаемых трещинных пластин, оценка поверхности переломов на основе SEM, анализ EDS и качественное сравнение с упрощёнными сгенерированными трещинами. Общий рабочий процесс исследования приведён на рисунке 1. Реагенты и используемое оборудование перечислены в Таблице материалов.
Идентификация подходящих случаев и документирование клинических, дефектных и пластинчатых характеристик
В этом ретроспективном исследовании участвовали пациенты, прошедшие реконструкцию нижней челюсти с использованием несущих титановых пластин, а позже развились переломы пластины, требующие удаления. Были изучены клинические карты, оперативные записи и рентгенографические изображения для фиксации возраста пациента, пола, первичного диагноза, реконструированной стороны, расположения дефекта, истории радиации, послеоперационной инфекции, зубов и остаточных окклюзионных единиц, времени от реконструкции до перелома и анатомического расположения перелома. Семь пациентов внесли семь извращенных пластин. Две пластины имели две чётко выраженные линии разрушения; Поэтому в описательный фрактографический анализ были включены девять участков разрушения. Пациент и пластина считались клиническими единицами отбора образцов, тогда как отдельный участок перелома использовался как единица описания поверхности перелома. Места перелома классифицировались на заднее тело, переднее тело или нижний угол. Переменные, связанные с пластинами, включали систему пластин, номинальную толщину пластины, ширину отверстия, количество и распределение фиксационных винтов, а также длину неподдерживаемого пролёта пластины. Точное количество интраоперационных манёвров изгибания и переизгибания не удалось определить, поскольку эти детали не были единовременно зафиксированы в оперативных записях. Для подтверждения местоположения перелома и сопоставления результатов визуализации с извлечёнными образцами использовались панорамные рентгенограммы.
Анализ морфологии переломов на основе SEM
После удаления каждую треснувшую пластину тщательно обрабатывали для сохранения поверхности перелома. Грубый биологический мусор аккуратно уменьшался путём промывания образцов дистиллированной водой без механического соскоба поверхности трещины. Каждый образец пластинки помещался в коническую трубку объёмом 15 мл, содержащую достаточное количество 100% этанола для полного погружения. Закрытая трубка помещалась в ультразвуковую ванну и звучала в течение 3 минут при частотах 37 кГц, 100 Вт и 37 °C. После соникации образец извлекали из трубки и сушили в камере с чистым воздухом. Та же процедура подготовки применялась ко всем клиническим и референсным образцам. Полировка, шлифовка или проводящее металлическое покрытие поверхностей трещины не проводились. После сушки в камере с чистым воздухом образцы крепили на алюминиевые заготовки с использованием проводящей углеродной ленты. Обе противоположные поверхности перелома изначально исследовались с малым увеличением, когда это было возможно. Поверхность, выбранная для детальной съёмки, должна была показывать видимые периферические и центральные области переломов, минимальное количество обломков, скрывающих морфологические особенности, отсутствие заметных царапин или следов инструментов, а также отсутствие значительных сдавлений, изгибов или послепереломных деформаций. Когда обе поверхности соответствовали этим критериям, обе сохранялись для анализа. Анатомическая ориентация определялась путём сопоставления контура пластины, конфигурации винтового отверстия и места перелома с оперативными записями и панорамными рентгеновскими снимками. Поверхность, обращённая к кости, обозначена как язычный аспект, а противоположная — как щочный аспект, тогда как верхние и нижние направления определялись по положению пластины относительно нижнечелюстной границы. Эти указания отмечались и сохранялись при монтаже на алюминиевом штанге.
Установленные образцы исследовались с использованием вторичной электронной визуализации с вторичным электронным детектором при увеличениях 80×, 200×, 400× и 1000×. При примерно 80× увеличении исследователи впервые подтвердили, что вся поверхность перелома, периферические края и центральная область разрыва были адекватно визуализированы. Предполагаемая область инициации трещины и конечная зона перегрузки были определены перед целевым съёмкой на 200×, 400× и 1000×. Обзорные изображения были получены примерно при увеличении 80× с использованием ускоряющего напряжения 10,0 кВ, тока зонда 0,10 нА, времени задержки 5,0 мкс и рабочего расстояния 40,0 мм. Каждая поверхность перелома систематически анализировалась от периферического края до центральной зоны разрыва. Каждая поверхность трещины оценивалась с использованием заранее определённых морфологических категорий, включая предполагаемый край инициации трещины, преобладающую ось распространения трещины, полосатые, похожие на пляжные отметки, пластичные разрывы, хрупкие области и предполагаемую конечную зону перегрузки. Ориентация размножения трещин классифицировалась преимущественно как букко-лингвальное, преимущественно верхне-нижнее, смешанное или неопределённое. Особое внимание уделялось ориентации усталостных особенностей относительно буккальных, язычных, верхних и нижних аспектов пластины, чтобы определить преобладающее направление механического напряжения. Исследователи независимо изучили изображения перед проведением консенсусного обзора.
Сравнение клинических переломов с эталонными переломами при упрощённых условиях нагрузки
Для создания эталонных переломов использовались неиспользованные реконструкционные пластины той же системы и номинальных размеров, что и клинически извлеченные пластины. Одна пластина была испытана под букко-лингвальной нагрузкой, а другая — под более низкой нагрузкой. Для каждой пластины заранее отмечалась предполагаемая точка загрузки. Затем пластину вручную поддерживали в местах, соответствующих двух отверскам от отмеченной точки загрузки с каждой стороны.
Загрузка осуществлялась вручную в отмеченном месте до возникновения грубого перелома пластины. Для букко-лингвального состояния применялась сила в букко-лингвальном направлении. Для верхне-низшего условия сила применялась в направлении превосходно-низшее.
Эти опорные трещины были созданы для упрощения морфологических сравнений, а не для воспроизведения сложной циклической и многонаправленной нагрузки, испытываемой пластинами реконструкции нижней челюсти in vivo. После перелома все эталонные образцы прошли ту же очистку, монтаж и процедуры SEM-визуализации, что и для извлечённых клинических пластин.
Клинические и эталонные трещины сравнивались с использованием следующих заранее определённых признаков: предполагаемая граница инициации трещины, преобладающая ориентация по плоскости трещины, ось распространения трещины, ориентация строеподобных или пляжных отметок объектов, распределение пластичного разрыва и расположение предполагаемой конечной зоны перегрузки. Каждый клинический перелом классифицировался как более похожий на букко-лингвальный эталонный паттерн, более похожий на верхний-нижний эталонный узор, смешанный или неопределённый. Разногласия между исследователями разрешались совместным рассмотрением и консенсусом. Оценка сходства была качественной и не предназначалась для установления уникального механизма причинной нагрузки.
Оценка элементного состава с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии
В ходе электронной микроскопии проводилась энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия для оценки элементного состава и скрининга на наличие признаков коррозионных деградаций или загрязнений. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия проводилась с использованием кремниево-дрейфового детектора, интегрированного в SEM. Спектры получались при ускоряющемся напряжении 20 кВ и рабочем расстоянии 10,0 мм при увеличении 1000× Прямоугольная область, представляющая интерес, была размещена над относительно ровной частью поверхности трещины, избегая края образца и грубых поверхностных обломков. Элементный состав был количественно измерен из приобретённого спектра и представлен как процент массы (масса) и атомный процент (at%).
Завершение протокола и компиляция итоговых результатов
Завершите процедуру после подтверждения того, что каждое оценяемое место перелома имеет анатомически ориентированный набор изображений SEM, завершённую морфологическую оценку, классификацию ориентации расщелины трещин, качественную классификацию эталонных узоров и отчёт по составу EDS, выраженный в wt% и at%. Интегрировать эти результаты с соответствующими клиническими и рентгенографическими данными для получения окончательного анализа на уровне образца.
Результаты
Идентификация подходящих случаев и документирование клинических, дефектных и пластинчатых характеристик
Семь пациентов с переломом нижней челюсти были выявлены для анализа на основе забора. В когорту входили пять мужчин и две женщины, со средним возрастом 60,6 лет (диапазон от 30 до 79 лет) на момент перелома. Основными диагнозами были плоскоклеточный рак у четырёх пациентов, остеомиелит у двух пациентов и остеосаркома у одного пациента. Средний интервал от операции по реконструкции до перелома пластины составлял 14 месяцев, от 2 до 47 месяцев. Реконструкция была проведена на левой нижней челюсти у трёх пациентов и на правой нижней челюсти у четырёх пациентов. Места переломов были равномерно распределены по трём анатомическим регионам: заднее тело (n = 3), переднее тело (n = 3) и нижняя челюсть (n = 3). Были представлены четыре системы реконструкционных плит. Пластины содержали медиану из 16 отверстий (диапазон — 12–16 отверстий). Среднее общее количество фиксационных винтов составляло 9 (диапазон 7–14), при этом 2–8 винтов были установлены на проксимальный сегмент и 4–6 винтов на дистальный сегмент. Неподдерживаемый пролёт пластины имел среднюю длину 6 отверстий для пластин (диапазон — 2–7 отверстий). Количество функциональных окклюзионных блоков варьировалось от четырёх до восьми, медиана составляла шесть единиц. Четыре пациента прошли лучевую терапию, тогда как трое — нет. Ни у одного пациента не было задокументированных послеоперационных инфекций или отсутствия срощения на момент перелома пластины. Подробные характеристики каждой пластины, включая производителя и систему пластин, номинальную толщину, ширину отверстия, детали фиксации и неподдерживаемый пролёт, приведены на рисунке 2 и таблице 1.
Анализ морфологии переломов на основе SEM
SEM выявил различия, связанные с местом, в наблюдаемой морфологии поверхности разрушения. В области нижнечелюсти все шесть мест переломов в области тела демонстрировали преимущественно букколингвальную ориентацию наблюдаемых особенностей поверхности перелома (см. рисунок 3 и рисунок 4).
В области переломов в области тела наблюдались полосатые отметины, похожие на пляжные отметки, и похожие на пляжные узоры. Эти признаки считались совместимыми с прогрессивным ростом трещины при повторяющихся нагрузках, хотя величина и направление нагрузки in vivo определить не только по морфологии. По мере продвижения трещины по пластине периферические области часто переходили к хрупкой морфологии трещин. В группе угла нижней челюсти наблюдаемые особенности поверхности трещины преимущественно ориентировались вдоль верхней-нижней оси (рисунок 5).
Предполагаемая область инициации трещины у 3/3 образцов находилась на верхнем или нижнем краю пластины. У 3/3 образцов наблюдались вертикально ориентированные пластичные разрывающиеся структуры и хрупкие области, проходящие через толщину пластины. Эти наблюдения совместимы с особенностями морфологии перелома, связанными с местами; однако только морфология разрушения не смогла определить величину или причинное направление нагрузки in vivo (Таблица 2).
Репрезентативные микрофотографии SEM с большим увеличением и соответствующий набор исходных изображений для каждого участка перелома представлены в дополнительном файле 1.
Сравнение клинических переломов с эталонными переломами при упрощённых условиях нагрузки
Загрузка осуществлялась вручную; поэтому не измерялись параметры, усилие, смещение, скорость нагрузки, нагрузка на разрушение и связанные с усталостью параметры. Две опорные пластины были повреждены, при этом одна пластина была назначена каждому упрощённому направлению загрузки. Поскольку при каждом состоянии тестировалась только одна пластина, экспериментальная воспроизводимость не могла быть оценена. Букко-лингвальная нагрузка приводила к переломам, характеризующимся преимущественно инициацией трещины на боковых краях пластины и поверхностными элементами трещины, ориентированными вдоль букко-лингвальной оси. В отличие от этого, верхне-нижняя нагрузка приводила к образованию трещин с инициацией трещины на верхнем или нижнем краю пластины и особенностями, ориентированными преимущественно вдоль верхней-нижней оси.
При качественном сравнении клинические переломы в области тела чаще имели общие морфологические характеристики с переломами, возникшими под буко-лингвальной нагрузкой. К этим общим особенностям относились инициация трещины по боковому краю и преимущественно поперечная ориентация поверхностей трещины. Клинические переломы у нижнечелюстного угла чаще напоминали верхние-нижние эталонные переломы, особенно по инициации трещины на верхнем или нижнем краю и вертикальной ориентации наблюдаемых признаков перелома.
Эти сравнения выявили отдельные качественные морфологические сходства между клиническими и эталонными переломами. Однако, поскольку эталонные эксперименты использовали упрощённые условия нагрузки и не воспроизводили циклические, многонаправленные силы, действующие на реконструкционные пластины in vivo, наблюдаемые сходства интерпретировались как качественные и гипотезующие факторы, а не как окончательное доказательство причинного механизма нагрузки (см. рисунок 6).
Эталонные эксперименты были исследовательскими качественными сравнениями и не предназначались для обеспечения биомеханической валидации.
Оценка элементного состава с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии
Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия показала, что титан и кислород составляют наибольшие обнаруженные элементные пропорции в исследуемых областях. У пяти пациентов было обнаружено небольшое количество углерода, а натрий — только у одного. На исследуемых участках не было обнаружено заметных неожиданных элементных отложений или отклонений состава. Значения представляют собой одно измерение площади из каждой выбранной области поверхности разрушения (Таблица 3). Полные спектры EDS и исходные количественные результаты приведены в Дополнительном файле 1.
Заключение
В этом исследовательском исследовании было выявлено различия в морфологии поверхности перелома между анатомическими участками разрушения пластин реконструкции нижней челюсти. Переломы в области тела чаще проявляли признаки, ориентированные вдоль букко-лингвальной оси, тогда как переломы в области углов чаще демонстрировали признаки, ориентированные вдоль верхней нижней оси. Ручные эталонные переломы показали избранные качественные сходства с соответствующими клиническими образцами, но служили лишь исследовательскими сравнителями и не предназначались для биомеханической валидации. Поскольку параметры количественной силы, смещения, скорости нагрузки или испытания усталости не были получены, а экспериментальная модель не воспроизводила сложную циклическую и многонаправленную нагрузку нижней челюсти in vivo, эти наблюдения следует интерпретировать как генерирующие гипотезы, а не как причинно-следственные. Эти данные позволяют предположить, что механическая среда, связанная с разрушением пластин, может варьироваться в зависимости от анатомической подлокации. Для рекомендования стратегий усиления, специфичных для конкретного участка, необходимы дальнейшие исследования, включающие стандартизированные циклические испытания на усталость, количественные измерения силы и перемещения, крупные однородные когорты и конечный элементный анализ.
ДОСТУПНОСТЬ ДАННЫХ:
Все данные, полученные или проанализированные в этом исследовании, включены в рукопись и её дополнительные файлы. В качестве дополнительных материалов предоставляются репрезентативные изображения SEM с большим увеличением, исходные наборы данных, спектры рентгеновской спектроскопии с дисперсирующей энергией и количественные исходы. Исходные изображения SEM, спектры EDS, количественные выходы и де-идентификационный аналитический набор данных доступны в Zenodo по адресу DOI: 10.5281/zenodo.20744888.
Рисунок 1: Общий рабочий процесс изучения фрактографического исследования на основе поиска. Были выявлены клинические случаи с переломом пластин реконструкции нижней челюсти, а извлечённые пластины охарактеризовали по месту перелома, конфигурации пластины и фиксации, неподдерживаемому пролёту, функциональным окклюзионным блокам, воздействию лучевой терапии, а также по состоянию инфекции или нессоединения. Полученные образцы были очищены, установлены и исследованы с помощью SEM для оценки морфологии поверхности трещины и энергетическодисперсионной рентгеновской спектроскопии с целью характеристики элементного состава. Две неиспользованные опорные пластины были ручно разрушены в условиях упрощённой букко-лингвальной и более низкой нагрузки. Клинические и эталонные поверхности разрушения были качественно сравнены с использованием заранее определённых морфологических критериев, включая предполагаемый край инициации трещины, ориентацию плоскости разрыва, ось распространения, черты, похожие на полосатые или пляжные отметки, пластичное разрыв и конечную зону перегрузки. Сравнение было направлено на выработку гипотез, связанных с возможными механическими условиями, зависящими от локации, и не рассматривалось как количественная биомеханическая валидация. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Анатомическое расположение клинических переломов в извлечённых пластинах реконструкции нижней челюсти . Панорамные рентгенограммы семи пациентов (A–G), показывающие анатомические расположения переломов пластин при реконструкции нижней челюсти. Места перелома были выявлены в задней части тела (A,D,E), переднем (C,D,G) и нижней челюстной части (B,F,G). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Сканирующие электронные микрофотографии клинических переломов задних переломов нижнечелюстной части. (A,B) Поверхности переломов у пациентов 1 и 5 показывают распространение щечных трещин от щечной к язычной с концентрическими полосами усталости. (C) Поверхность перелома у пациента 4 с букко-лингвально ориентированными чертами с пластичными разрывами и хрупкими на вид. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: Сканирующие электронные микрофотографии клинических переломов передней нижней челюсти .(A) Поверхность перелома у пациента 3, демонстрирующая смешанные буккально-язычные и лингвально-щёчные направления с полосатыми отметинами и пляжными узорами. (B) Поверхность перелома у пациента 4 с лингвально-щечной ориентацией с пластичными разрывами и хрупкими участками. (C) Поверхность перелома у пациента 7, демонстрирующая букко-лингвальные особенности с узорами, похожими на пляжные следы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5: Сканирующие электронные микрофотографии клинических переломов при переломах нижней челюсти .(A) Поверхность перелома у пациента 2, демонстрирующая нижняе-верхнее расположение признаков с полосатыми отметинами. (B,C) Поверхности переломов у пациентов 6 и 7 с признаками, ориентированными на нижнюю верхнюю сторону, с совмещёнными пластичными разрывами и хрупкими на вид. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 6: Референсные поверхности разрушения, возникающие при упрощённых условиях нагрузки. (A) Эталонное разрушение, возникающее при букко-лингвальной нагрузке, и (B) эталонное разрушение, возникающее при превосходящей нижней нагрузке. Стрелки указывают на преобладающую ориентацию наблюдаемых поверхностных элементов трещины. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
| Пациенты | Пол | Возраст | Диагностика | Бок | Дефектная область | Система пластин | Толщина (мм) | Отверстие для винта (мм) | Общее количество пластинных отверстий | Фиксационные винты, полные (проксимально/дистальное) | Un Поддерживаемый пролёт (количество отверстий) | Функциональность иональные окклюзионные единицы, n | Радио Терапия | Инфекция или несрождение | Время перелома пластины (месяцы) | |
| 1 | M | 36 | SCC | Лейтенант | Заднее тело | Титановая матрицаПЛАСТИНА для реконструкции (синтезаторы DePuy) | 2.8 | 2.4 | 15 | 8 (4/4) | 7 | 6 | Да | нет | 20 | |
| 2 | M | 76 | SCC | Лейтенант | Угол | Универсальная пластина реконструкции нижней челюсти 2 (Страйкер Лейбингер) | 2.8 | 2.3 | 16 | 10 (5/5) | 6 | 4 | Да | нет | 10 | |
| 3 | F | 30 | Остеосаркома | Rt | Переднее тело | Универсальная пластина реконструкции нижней челюсти 2 (Страйкер Лейбингер) | 2.8 | 2.3 | 13 | 7 (2/5) | 6 | 8 | Да | нет | 47 | |
| 4 | M | 70 | SCC | Rt | Заднее тело | Универсальная пластина реконструкции нижней челюсти 2 (Страйкер Лейбингер) | 2.8 | 2.3 | 16 | 11 (6/5) | 5 | 6 | Да | нет | 12 | |
| Переднее тело | ||||||||||||||||
| 5 | M | 74 | Остеомиелит | Лейтенант | Заднее тело | Титановая матрицаПЛАСТИНА для реконструкции (синтезаторы DePuy) | 2.8 | 2.4 | 12 | 7 (3/4) | 5 | 8 | нет | нет | 2 | |
| 6 | F | 79 | Остеомиелит | Rt | Угол | Пластина реконструкции нижней челюсти OPTIMUS (остеоническая) | 2.6 | 2.4 | 16 | 14 (8/6) | 2 | 8 | нет | нет | 3 | |
| 7 | M | 59 | SCC | Rt | Угол | Реконструкционная пластина нижней челюсти Universa 2 (Stryker) | 2.8 | 2.3 | 16 | 9 (4/5) | 7 | 6 | нет | нет | 4 | |
| Переднее тело | ||||||||||||||||
Таблица 1: Клинические, реконструктивные и имплантатные характеристики извлечённых пластин реконструкции нижней челюсти .Сводка пола пациента, возраста, диагноза, производителя пластины и системы, номинального профиля пластины (толщина, отверстие для винта), восстановленной стороны нижней челюсти, места перелома, общего количества отверстий пластины, количества и распределения фиксационных винтов, неподдерживаемого размаха пластины, функциональных окклюзионных единиц, истории лучевой терапии, инфекции или несросления и времени от реконструкции до перелома пластины. Функциональные окклюзионные единицы определялись как противоположные контакты верхнечелюстно-нижнечелюстной в молярной, премолярной и передней областях, при этом каждая контактная единица учитывалась один раз.
| Пациент No | Анатомическое место перелома | Направление распространения трещины | Морфология разлома |
| 1 | Заднее тело | Buccal à Lingual | Концентрические полосы |
| 2 | Угол | Нижестоящий à Superior | Полосы и пляжные отметки |
| 3 | Переднее тело | Buccal à Lingual | Пляжные отметки |
| Lingual à Buccal | |||
| 4 | Заднее тело | Buccal à Lingual | Пластичный и хрупкий |
| Переднее тело | Lingual à Buccal | Пластичный и хрупкий | |
| 5 | Заднее тело | Lingual à Buccal | Концентрические полосы |
| 6 | Угол | Нижестоящий à Superior | Пластичный и хрупкий |
| 7 | Угол | Нижестоящий à Superior | Пластичный и хрупкий |
| Переднее тело | Buccal à Lingual | Пляжные отметки |
Таблица 2: Фрактографические находки переломов пластин реконструкции нижней челюсти, обнаруженные при сканирующей электронной микроскопии. Краткое описание анатомического места перелома, направления распространения трещины и морфологии доминирующего перелома для каждой анализируемой поверхности перелома.
| Ti | O | C | На | ||||||
| Пациент No | Процент массовой нормы | Атомный процент | Процент массовой нормы | Атомный процент | Процент массовой нормы | Атомный процент | Процент массовой нормы | Атомный процент | |
| 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 | |||
Таблица 3: Элементный состав трещинных пластин реконструкции нижней челюсти, определяемый с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Элементный состав сообщается как нормализованный процент массы (массы) и атомный процент (at%), полученные с помощью анализа площади EDS при 20 кВ и рабочем расстоянии 10,0 мм.
Дополнительный файл 1: Анализ энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии у пациентов 1–7. Изображения сканирующей электронной микроскопии демонстрируют выбранные области интереса для анализа EDS, с соответствующими таблицами спектров и элементного состава. Титан был преобладающим элементом во всех образцах, сопровождался кислородом, что соответствует образованию оксида титана на поверхности плиты. Углерод был обнаружен у пациентов 3–7, а натрий — у пациента 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Обсуждение
Это исследовательское исследование предлагает протокол на основе извлечения, который объединяет SEM, сравнительную эталонную нагрузку и энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию для характеристики морфологии поверхности перелома и изучения направленных паттернов в пластинах реконструкции нижней челюсти. Предыдущие исследования выявили усталость как основной механизм разрушения реконструкционных пластин нижней челюсти с помощью прямого анализа материалов ифрактографических исследований 3,8,12. Другие исследования были сосредоточены преимущественно на клинических факторах риска, проектировании пластин или вычислительной и лабораторной биомеханическойоценке 9,10,11,13,14,15,16,17. В данном исследовании особенности поверхности перелома различались в зависимости от анатомического расположения перелома. Переломы в области тела чаще проявляли признаки, ориентированные вдоль букко-лингвальной оси, тогда как переломы в области углов чаще демонстрировали признаки, ориентированные вдоль верхней нижней оси. Эксперименты с упрощённой эталонной нагрузкой дали отдельные морфологические особенности, качественно схожие с теми, что наблюдались в соответствующих клинических образцах. Эти данные свидетельствуют о том, что преобладающая механическая среда разрушения пластин может варьироваться в зависимости от анатомического подучастка, хотя они не устанавливают уникального механизма причинной нагрузки.
Наблюдаемые различия дают возможное расширение общего понятия разрушения плит, связанного с усталостью. В нижней челюсти переломы преимущественно распространялись в буклеязычном направлении, что указывает на уязвимость к боковым изгибающим напряжением. Однако эталонные эксперименты по разлому были разработаны исключительно для качественных, исследовательских морфологических сравнений и не предназначались для биомеханической валидации. Поскольку нагрузка применялась вручную, количественные измерения силы, смещения, скорости нагрузки, нагрузки на разрушение или параметров усталостного испытания не было получено. Кроме того, модель не воспроизводила сложную циклическую, многонаправленную и специфичную для пациента нагрузку, которую испытывают пластины реконструкции нижней челюсти in vivo. Соответственно, наблюдаемые сходства следует интерпретировать только как шаблоны, генерирующие гипотезы, требующие подтверждения через стандартизированные биомеханические испытания.
Если это подтвердится в более крупных и контролируемых исследованиях, анатомические вариации механической среды могут иметь последствия для конструкции реконструкционных пластин. Возможные стратегии могут включать региональную модификацию жёсткости пластины, геометрии поперечного сечения, толщины пластины или дополнительное усиление. Тем не менее, текущие данные недостаточны для рекомендации конкретной конфигурации пластин, специфичной для субсайта. Такие рекомендации потребуют сравнительных испытаний, учитывающих длину дефекта, размах пластин без опоры, способ фиксации, контурирование пластин, остаточную опору костной ткани и специфичные для пациента условиянагрузки 11,13,14,15,16,17.
Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия выявила титан и кислород как доминирующие элементы, при этом в некоторых образцах были небольшие и непоследовательные количества углерода и натрия. Эти незначительные сигналы, скорее всего, связаны с поверхностным окислением, адсорбированными загрязнителями или физиологическими остатками, чем с истинным изменениемсплава 18,19,20,21. В анализируемых областях не было выявлено заметных неожиданных элементных отложений или аномалий состава. Однако энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия предоставляет локализованную элементную информацию и не может независимо исключать локализованную коррозию, частоту, трибокоррозию или другие процессы деградацииповерхности 18,19,20,21. Поэтому результаты энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии не следует интерпретировать как окончательное доказательство того, что химическая деградация не сыграла роли в разрушении пластин. Напротив, результаты фрактографии были более совместимы с прогрессирующим механическим разрушением, в то время как относительный вклад процессов, связанных с коррозией, остаётся неопределённым.
Фрактография, основанная на извлечении, имеет несколько сильных сторон. Он непосредственно исследует импланты, которые не сработали в клинической практике, и позволяет выявлять потенциальные области инициации трещин, особенности распространения и окончательные зоны разрыва. Он также может связывать морфологию перелома с клинической и анатомической информацией, не полагаясь полностью на предполагаемые условия нагрузки. Однако анализ восстановления не может восстановить полную историю нагрузок импланта или количественно определить величину, частоту и направление сил, действующих до отказа. Наблюдаемая поверхность разрушения может также отражать совокупные эффекты контурирования плиты, повторяющихся нагрузок, локальной концентрации напряжений, биологического воздействия, эксплантации и подготовки образцов.
Несколько этапов протокола критически важны для качества и надёжности фрактографического анализа. Поверхность перелома должна быть защищена от соскоба и контакта с инструментом во время извлечения, а также аккуратно очищаться без механических повреждений, поскольку загрязнение и вторичные повреждения могут скрыть особенности, связанные с усталостью. Анатомическая ориентация должна быть установлена перед монтажом путём корреляции контура пластины и конфигурации отверстий с оперативными и рентгенографическими данными; Образцы с неопределённой ориентацией следует классифицировать как неопределённые. Исследование всей поверхности трещины с низким увеличением должно предшествовать целевой визуализации с высоким увеличением для сохранения пространственной связи между предполагаемой областью инициации, особенностями распространения и конечной зоной разрыва. Надёжное проводящее крепление и правильная регулировка рабочего расстояния и условий сканирования могут снизить количество артефактов зарядки и фокусировки. Для анализа EDS следует избегать областей возле краёв образца, углеродной ленты или видимого мусора, чтобы минимизировать вводящие в заблуждение элементныесигналы 18. Постоянные условия визуализации, заранее определённые морфологические категории и независимый обзор с последующим консенсусом важны для снижения интерпретативной вариабельности, и трещины с затемненными или неоднозначными признаками не должны относиться к категории направленных ориентиров.
Практические преимущества протокола включают использование клинически полученных имплантов, минимальную разрушающую подготовку образцов, интеграцию клинических, рентгенографических, морфологических и элементарных данных, а также стандартизированный рабочий процесс с низким и высоким увеличением. Метод может быть реализован в лабораториях с доступом к обычному оборудованию SEM и EDS без необходимости отдельной механической системы тестирования. Заранее определённые процедуры ориентации, визуализации и классификации также могут улучшить воспроизводимость между образцами и исследователями. Однако доступность по-прежнему зависит от наличия экспертизы SEM и надлежащей обработки поиска.
Конечный элементный анализ и стандартизированное тестирование усталости предоставляют дополнительную информацию. Конечный элементный анализ позволяет оценить распределение напряжений и деформаций, а также оценить влияние геометрии дефектов, конструкции пластин, конфигурации фиксации и предположений понагрузкам 13,16,17. Однако его результаты чувствительны к предположениям о мышечных силах, окклюзионном контакте, свойствах материала, граничных условиях и взаимодействии костей симплантатом 13,16. Циклическое испытание на усталость на поверхности может обеспечить количественные измерения, такие как жёсткость конструкции, циклы до разрушения, усталостность и нагрузка на разрушение в стандартизированныхусловиях 13,15. Тем не менее, такие эксперименты неизбежно упрощают переменную биологическую, анатомическую и многонаправленную нагрузку, с которой сталкиваются in vivo. Поэтому фрактография на основе извлечения, анализ конечных элементов и тестирование на усталость следует рассматривать как дополняющие, а не взаимозаменяемые подходы.
Этот протокол может быть полезен в различных областях исследований черепа-челюстно-лицевой терапии. Это может облегчить сравнение традиционных и специфичных для пациента пластин, поддерживать валидацию прогнозов конечных элементов с помощью полученных имплантов и помочь определить, какие подучастки нижней челюсти наиболее уязвимы в различных реконструктивныхусловиях 11,13,14,15,16,17 . Кроме того, это может способствовать разработке гибридных стратегий реконструкции, которые объединяют пластины с васкуляризированными костными трансплантатами, сегментами с распределением нагрузки или дополнительными стержнями в механически сложных областях 1,2,13,14,15.
Следует учитывать несколько ограничений. Во-первых, это было небольшое ретроспективное исследование с участием семи пациентов и девяти участков переломов, при этом две пластины добавляли по две линии переломов каждая; поэтому некоторые наблюдения не были статистически независимыми, и результаты могут быть не поддаются обобщению. Когорта также была гетерогенной по диагнозу, расположению дефекта, воздействию лучевой терапии, функциональным окклюзионным блокам, неподдерживаемому размаху пластин, конфигурации фиксации и системе пластин. Различия в толщине пластины, профиле поперечного сечения, геометрии отверстия, обработке материалов и конструкции, специфичной для производителя, могли влиять на концентрацию напряжений и морфологию поверхностиразрушения 11,13,14,15,16. Из-за малой и гетерогенной когорты эффекты анатомического участка не могли быть отделены от эффектов конструкции пластинчатых систем.
Во-вторых, количество, расположение и масштаб интраоперационных манёвров изгибания или переизгибания не были полностью задокументированы. Повторное контурирование может привести к остаточным напряжениям или локальному механическому ослаблению и, следовательно, способствовать разрушениюпластины 16.
В-третьих, эталонная модель разрушения была значительно упрощена. Таким образом, эталонные эксперименты не следует интерпретировать как биомеханическую валидацию направлений нагрузки, выведенных из клинических поверхностей разрушения. Для каждого направления нагрузки тестировалась только одна неиспользованная пластина, а нагрузка применялась вручную и монотонно, без количественных измерений силы, смещения, скорости нагрузки или нагрузки на разрушение. Воспроизводимость не могла быть оценена, и модель не воспроизводила циклические, многонаправленные и специфичные для пациента силы, присутствующие in vivo. Соответственно, экспериментальные трещины служили лишь качественными морфологическими ориентирами.
В-четвёртых, сравнение клинических и эталонных переломов основывалось на качественной оценке заранее определённых фрактографических признаков. Хотя изображения были независимо рассмотрены и разногласия разрешались консенсусом, интерпретация оставалась частично субъективной, и только морфология разрушения не может однозначно определить величину или направление причинной нагрузки.
Наконец, SEM и энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия предоставляют локализованную структурную и элементную информацию, но не могут восстановить полную механическую, биологическую или химическую историюимплантов 18. Отсутствие заметных аномалий состава не исключает локализованную коррозию, ладовое соединение, трибокоррозию или взаимодействия между деградацией поверхности иусталостью 19,20,21. Поэтому эти результаты следует рассматривать как исследовательские и гипотезово-генерирующие и требующие подтверждения через более крупные когорты извлечения, стандартизированные циклические испытания на усталость, количественные механические измерения и специфический для пациента конечный элементный анализ.
Будущие исследования должны интегрировать фрактографию, основанную на поиске, с геометрией, специфичной для пациента, данными о функциональной нагрузке и переменными реконструктивного проектирования. Крупные многоцентровые когорты извлечения могут прояснить, предрасполагают ли определённые дефектные паттерны или стратегии фиксации к неудачам, доминирующим телом или углом. В целом, эти наблюдения служат основой для будущих исследований того, может ли подсайт-специфическое усиление быть полезным, но они напрямую не поддерживают конкретную стратегию проектирования пластин.
Раскрытие информации
Авторы не заявляют о конкурирующих финансовых интересах.
Благодарности
Эта работа была поддержана Фондом новых стартапов преподавателей Сеульского национального университета (No 860-20250053). Авторы благодарят персонал стоматологической больницы Сеульского национального университета за помощь в обработке образцов и поддержке визуализации.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Энергодисперсионный рентгеновский спектрографический детектор (Apreo 2) | Thermo Fisher Scientific | Артикул 1229004 | Интегрированный детектор, используемый для элементного анализа во время сканирования электронной микроскопии |
| OPTIMUS Пластина для реконструкции челюсти | Osteonic | MST326M17 | Извлеченные фрагменты клинических образцов, анализируемые в этом исследовании |
| Сканирующая электронная микроскопия (Apreo 2) | Thermo Fisher Scientific | Артикул 1229004 | Используется для фрактографического исследования поверхностей разлома |
| Титановая пластина для реконструкции MANDIBLE | DePuy Synthes | 04.503.739 | Извлеченные фрагменты клинических образцов, анализируемые в этом исследовании |
| Ультразвуковая ванна | SHARP | UT-106 | Очистка пластин этиловым спиртом |
| Универсальная пластина для реконструкции челюсти 2 | Stryker Leibinger | 55-28922 55-28920 | Извлеченные фрагменты клинических образцов, анализируемые в этом исследовании |
Ссылки
- 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.
Перепечатки и разрешения
Эта статья была опубликована
Видео скоро будет доступно