2.1  Case 1正常完整下颌骨受力有限元仿真分析  经过有限元计算得出，正常完整下颌骨及牙齿在正常咀嚼下其结构Von Mises应力分布情况，见图2a-d。

2.2  Case 2下颌骨H类缺损重建钛板修复受力有限元仿真分析  经过有限元计算得出，下颌骨H类缺损重建钛板修复下其结构Von Mises应力分布、结构位移变化等情况，见图3a-d。

2.3  Case 3下颌骨H类缺损小型钛板修复受力有限元仿真分析  经过有限元计算得出，下颌骨H类缺损小型钛板修复下其结构Von Mises应力分布变化情况，见图3e-h。

2.4  Case 4下颌骨C类缺损重建钛板修复受力有限元仿真分析  经过有限元计算得出，下颌骨C类缺损重建钛板修复下其结构Von Mises应力分布情况，见图4a-d。

2.5  Case 5下颌骨C类缺损重小型板修复受力有限元仿真分析  经过有限元计算得出，下颌骨C类缺损小型钛板修复下其结构Von Mises应力分布情况，见图4e-h。

2.6  Case 6下颌骨L类缺损重建钛板修复受力有限元仿真分析  经过有限元计算得出，下颌骨L类缺损重建钛板修复下其结构Von Mises应力分布情况，见图5a-d。

2.7  Case 7下颌骨L类缺损小型钛板修复受力有限元仿真分析  经过有限元计算得出，下颌骨L类缺损小型钛板修复下其结构Von Mises应力分布情况，见图5e-h。

2.8  下颌骨各类缺损重建钛板和小型钛板修复后位移情况有限元仿真分析  经过有限元模拟各种缺损类型并用重建钛板和小型钛板固定腓骨瓣后再施加咬合力后的整体位移和腓骨块边缘骨断端之间的相对位移情况，见图6。

下颌骨各类缺损修复计算数据对比分析：将正常、H、C、L类缺损2种固定修复的各计算数据，汇总于表2，3中。为了更加清晰、直观对比H，C，L缺损修复前后应力及位移的变化情况，特将计算数据以柱状图形式来表示，见图7。

由上述图表可知，通过有限元方法对正常下颌骨、H、C、L类缺损小型钛板与重建钛板修复仿真模拟，从应力云图可以大致判断，应力较大值主要发生在髁突、髁颈、下颌角、磨牙、钛板钛钉等周围区域处，尤其以下颌角附近处Von Mises应力最大，可能跟咬肌等软组织约束有关。通过对比几组修复情况的应力最值可以发现，H类缺损重建钛板修复下颌骨时将对下颌角附近产生较大应力，局部应力集中达185 MPa，相比正常下颌骨，其应力增幅约39.10%。下颌骨非应力集中区域的应力最值为35.3-53.3 MPa，H类缺损小型钛板修复下的下颌骨非应力集中区应力比正常下颌骨受力要低，降幅约在20.14%，L类缺损重建钛板修复后非应力集中区的应力值降幅为2.26%-18.8%。H，C，L类6组下颌骨钛板修复下腓骨块、钛钉、钛板的受力也不尽相同，其中腓骨块的Von Mises应力最值在30.4 MPa以下。文章结果显示不管是重建钛板还是小型钛板固定，靠近断端的第一枚螺钉的应力值均较其他螺钉的大，应力最大值为56.2 MPa，发生在L类下颌骨缺损小型钛板修复下的远中上端第一枚螺钉。在H类小型钛板、L类小型钛板及重建钛板修复下钛板的Von Mises应力均大于100 MPa，为 117 -135 MPa。对于下颌骨最大位移来说，几组缺损修复下颌骨整体变形最值相差不大，为308-363 μm；H及L类缺损小型钛板、重建钛板修复后骨断端相对位移变化很小，为15-18 μm；相比H类和L类修复，C类缺损下颌骨钛板修复后骨断端相对位移最小，基本不产生相对位移。

下颌骨是维系面下部轮廓和面部美观的重要组成部分。肿瘤、创伤、感染及放射性骨髓炎等疾病常会导致下颌骨缺损，造成咀嚼、吞咽等基本功能丧失，颜面部畸形，给患者的生活带来了严重的影响。临床上常见的修复重建方法包括：血管化的骨瓣移植修复、游离髂骨或肋骨移植、单纯重建钛板或个性化假体修复等^[1]。HIDALGO^[2]于1989年首次报道腓骨瓣用于颌面部缺损修复，因其具有骨量充足、血供可靠、便于种植牙、可带穿支皮岛同时修复软组织缺损等优点，目前已成为下颌骨缺损最主流的供区之一^[3]。近年来，计算机辅助外科和3D打印技术日益普及，腓骨瓣重建下颌骨的时间明显缩短，重建的精确性得到很大提高^[4-5]。

目前临床上对下颌骨节段缺损腓骨移植修复重建的内固定方法主要有重建钛板和小型钛板固定。大量文献表明，对下颌骨骨折进行内固定后，如果不能保证骨折断端的初期稳定性，术后感染的发生率非常高^[6-8]。与下颌骨骨折一样，血管化腓骨瓣移植至下颌骨并进行固定后，也需要保证其初期稳定性，才能减少术后局部感染的发生率。由于下颌骨缺损的部位方式多种多样，临床上使用重建钛板和小型钛板这两种固定方式能否充分保证腓骨瓣在下颌骨各种类型缺损的情况下，骨断端在愈合过程中维持充分的稳定性，是亟待回答的一个重要问题。而目前对这两种固定方式在各类下颌骨缺损腓骨修复重建后应力分布特点和稳定性的生物力学研究仍较少。

因此，作者根据下颌骨缺损的Jewer分类^[9]，建立H(一侧下颌体、下颌角、下颌升支和髁突的缺失)、L(一侧下颌体缺失)和C(双侧下颌骨颏部缺失)共3类缺损模型，利用三维有限元分析法，对这3种下颌骨缺损腓骨修复后重建板和小型板固定的力学分布特点和稳定性进行对比研究，为临床应用提供生物力学依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1.1  设计  计算机模拟试验。

1.2  时间及地点  于2018年9月至2019年8月在贵州医科大学附属口腔医学院口腔材料及生物力学试验室完成。

1.3  材料

1.3.1  数据采集对象  文章通过贵州医科大学口腔医院伦理委员会批准(批准号：GMUSHIRB-201903014)，选取贵州医科大学口腔医院健康成年大学生志愿者1例，男，22岁，无颞下颌关节紊乱病，个别正常牙合，进行知情告知后，签署知情同意书。

1.3.2  设备和软件  口腔锥形束CT(卡瓦，Ormco公司，中国总部上海)；Mimics 16.0软件(Materialise公司，比利时，中国总部上海)；Geomagic Studio 2014软件(Geomagic公司，美国，北卡罗来纳州)；Hypermesh 13.0软件(Altair公司，美国，中国总部上海)；MSC. Patran/Nastran 2012软件(MSC. Software公司，洛杉矶，美国)；颅颌面内固定系统(辛迪思Synthes，强生公司，新泽西州，美国)

1.4  方法

1.4.1  下颌骨H，C，L缺损有限元模型建立

几何模型三维重建：志愿者行颌骨CT扫描，层厚   1.0 mm，保存为DICOM文件。采用Mimics 16.0软件提取数据，重建出正常人的下颌骨及牙齿几何模型，并导出STL格式文件。在Geomagic Studio 2014软件中修补、降噪及曲面化，导出STP格式文件，在Pro/E5.0软件中组装模型。将整体处理后的下颌骨及牙列的几何模型导出IGES格式文件。然后通过对正常人的牙齿及下颌骨模型进行修改，完成H，C，L类型截断性缺损的模型，并通过腓骨、小型钛板、重建钛板等进行装配，模拟修复。继而，将IGES文件导入Hypermesh 13.0软件中进行网格划分，导出BDF格式文件，最后在MSC.Patran/Nastran 2012软件中进行有限元网格二次处理及各种工况计算分析。重建板、小型板和相应钛钉的外观尺寸参照辛迪思颅颌面内固定系统，钛钉简化为圆柱形。

正常下颌骨及牙齿模型网格划分：共约42 377个节点，189 925个四面体单元。H，C，L类模型网格单元、节点数量与其相近，下颌骨、牙齿、腓骨块、钛板钛钉等结构均采用实体单元网格；各结构之间保持网格节点协调对应，完全接触，以保证受力的正常传递，如图1所示。

1.4.2  材料参数设定  参考一些已发表的研究数据下颌骨分皮质骨和松质骨^[9-14]，各结构的弹性模量和泊松比取值如表1所示。

1.4.3  边界条件假定  对下颌骨及牙列结构模型进行边界约束假定，具体如下：

(1)由于骨结构组织材料特性复杂及相关材料试验条件的限制，假定下颌骨(皮质骨、松质骨)、牙齿、腓骨块等各组织结构均为各向同性、均质、连续的弹性材料。

(2)对髁突关节面位置设置铰约束，限制其位移自由度，不限制其转动自由度；对下颌角区的翼内肌及咬肌、咀嚼肌、颞肌及翼外肌等附着位置设置固定约束，限制其位移自由度和转动自由度^[15]。加载方式采用对单侧后牙区垂直组合加载，自第二磨牙至第一前磨牙上分别垂直加载175，200，150，120 N^[16]，即总咬合力为645 N。以正常下颌骨及L类模型的边界约束及荷载施加为例，见图2a，b。

1.4.4  下颌骨H，C，L缺损修复有限元研究  试验对7种下颌骨受力(Case 1-7)计算分析结果，着重对比2种固定方式(小型钛板、重建钛板)的下颌骨缺损腓骨修复后各结构的应力分布变化、植入后骨断端的相对位移变化及其稳定性情况。

1.5  主要观察指标  通过三维有限元法计算2种固定方式，3种缺损类型模型的Von Mises应力分布和结构位移变化(相对位移量)。

下颌骨是维持口腔颌面部外形和功能重要的部分。因为肿瘤、感染、创伤等原因可造成下颌骨节段性缺损，导致患者的面型和功能丧失。下颌骨节段性缺损即刻修复成为目前手术治疗的主流。单纯重建钛板固定修复的术后并发症高达39%^[17]，下颌骨缺损同期植骨修复因可减少单纯重建板植入的并发症并且可以同期或二期种植牙，已成为目前最主流的修复手段。其中血管化的腓骨瓣修复是临床上使用最多的下颌骨缺损修复供区^[18]。笔者发现国内多家单位对于用血管化腓骨移植修复下颌骨缺损缺损的固定方式没有统一，有些术者用小型钛板进行固定，而有些另一些术者习惯用重建钛板固定。但是对于这两种固定方式是否能充分满足下颌骨缺损腓骨固定后的稳定性要求，目前的报道不多，而从生物力学的角度去探讨腓骨修复各类下颌骨缺损的应力分布规律和稳定性更是鲜见。重建钛板固定和小型钛板固定均有自己的优缺点。重建钛板具有固位稳定、能保证骨瓣与受区骨充分愈合、减少感染率的优点，但是其同时具有如下缺点：体积较大，厚度较厚，可能影响外形；术中塑性困难，增加手术时间，不易与骨面贴合；阻射放疗射线等；骨瓣骨性愈合后存在应力遮挡效应，导致骨血运障碍和骨质吸收^[19]，从而增加二期种植牙失败的风险^[20]。相反，小型钛板具有的优点有：体积小厚度薄，对外观影响小；操作相对简单，节省手术时间；固定位置相对灵活；应力遮挡效应低。但是有研究认为单纯小型钛板固定腓骨瓣存在固位力不足的情况^[21]。但也有学者通过木材体外模拟腓骨修复下颌骨缺损，证实小型钛板也能提供稳定可靠的固位^[22]。也有临床回顾性研究表明，下颌骨缺损腓骨修复重建钛板固定组和小型钛板固定组之间累积并发症并无显著差异^[23]。但是这样的临床回顾性研究缺少以缺损分类、咬合力等为基准的对比。

文章采用CT成像技术对正常完整下颌骨及牙齿结构进行了三维重建模型，并通过3D模型处理技术，对正常完整下颌骨模型进行适当修改，变成下颌骨H，C，L的3类缺损下小型钛板、重建钛板固定腓骨手术模型，再采用有限元方法对正常下颌骨和这3类模型分别进行三维仿真模拟及数据对比分析。发现H类缺损重建钛板修复下颌角附近产生的局部最大应力为185 MPa，其他修复和固定方式局部应力均小于该值。有研究报道如果应力值大于616 MPa会导致重建钛板的折断^[24]。因此从文章结果可以发现，重建钛板对腓骨瓣修复下颌骨缺损并不会出现明显的应力集中区而导致钛板折断，这与临床回顾分析相吻合。文章发现钛钉应力最大值为56.2 MPa，为L类缺损远中上端第一枚小型钛钉。有研究表面，当钛钉受到的应力大于85 MPa时，钛钉周围的骨质将会吸收，导致钛钉和钛板松动^[25]。试验结果表明两种固定方式的各枚钛钉所受应力均不会造成周围骨质吸收。当骨断端之间的相对位移大于150 μm时，骨折断端的愈合将会受到干扰^[26]，文章中6种情况下骨断端的相对位移均远远小于该值，说明在3种缺损情况下，两种固定方式均能保证稳定性要求。文章中各组件的应力分布最大值和骨断端相对位移值均能满足坚固内固定要求。ZHANG等^[27]对511例下颌骨缺损修复的患者进行分析发现，重建钛板和小型钛板修复都能满足稳定性的要求，但重建板修复术后出现的并发症较小型板少。在实际的临床应用中，医生往往根据自己的习惯选择重建钛板或小型板进行下颌骨缺损骨瓣的固定。但随着计算机辅助外科和3D打印技术的发展，使用重建钛板进行修复固定也越来越多，这是因为重建钛板可以事先在3D模型上进行预弯，显著减少了手术中弯制钛板的时间；可以利用预弯好的重建板作为模板在腓骨断蒂之前将腓骨进行塑形，明显减少了腓骨游离缺血的时间^[28]。

文章通过有限元方法对下颌骨H，C，L类型的节段性缺损腓骨修复的各结构应力及骨断端相对位移变化情况进行了定量定性的生物力学研究，并针对小型钛板和重建钛板两种固定形式进行了对比分析，利用力学原理和结构工程思想，对下颌骨H，C，L缺损类型固定钛板后的各结构生物力学特性进行详细地三维仿真模拟，得出具有一定借鉴意义的生物力学结论，这些将会给临床下颌骨H，C，L缺损修复手术研究提供一定的力学指导作用。有限元方法的介入，减少了临床对大量尸体或动物实验的依赖，从理论角度研究其力学行为变化，为推动颌骨缺损修复生物力学发展和下颌骨缺损重建及内固定器械的固定方式、固定位置及器械结构的改良起到一定的帮助。

文章是利用Jewer的下颌骨缺损的H，C，L分类建立下颌骨缺损的模型，但是在临床中的缺损远不止这3种，因此Jewer分类又衍生出许多亚类^[29]，试验不能将所以缺损类型都进行模拟，因此只选择这3类具有代表性的分类。

由于试验是基于有限元方法进行研究的，属于纯理论研究，其边界条件约束、材质属性等假设，与下颌骨实际受力和试验等存在一定的差异，因此，理论研究的成果更多从趋势和定性角度借鉴，如果需要更高精度的定量研究，应结合理论研究的同时，还应该进行大量的新鲜尸骨或第4代合成骨体外生物力学试验和临床验证^[30]，以确保科研的严谨性。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

文题释义：
下颌骨节段性缺损：是指因肿瘤切除、外伤等原因造成下颌骨部分骨质节段性缺失，造成下颌骨作为一个整体的完整性被破坏，下颌骨内应力传导中断，需要用连接体将剩余骨连接或恢复下颌骨的轮廓和弧形，以恢复其功能。
有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

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目前在临床上既有用重建钛板进行固定，又有用小型钛板固定，有临床回顾性研究表明重建钛板合小型钛板固定方式患者术后并发症率无明显差异，但目前仍缺少固定稳定性相关的生物力学研究。

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