虎小毅 史婧怡 屠军波

[摘要]目的：建立下颌骨颏部-体部层片状骨折坚固内固定的三维有限元模型，分析功能载荷下下颌骨的生物力学变化规律。方法：基于健康志愿者的下颌骨CT数据建立下颌骨三维有限元模型，在此模型上模拟出下颌骨颏部-体部（右侧）层片状骨折，并模拟小型钛板坚固内固定。依據内固定螺钉的类型分为单皮质钉固定和双皮质钉固定模式，依据载荷的类型分为右侧咀嚼载荷、左侧咀嚼载荷及双侧咀嚼载荷，共计6种工况。分析每种工况下骨折断端间的位移情况及内固定接骨板的Von Mises应力分布情况。结果：双皮质钉固定时骨断端间相对位移小于单皮质钉固定，患侧咀嚼时骨断端间的相对位移最大，其中单皮质钉固定右侧咀嚼时骨折断端间的相对位移达到了0.158mm，超过了临床内固定要求的警戒线0.150mm。双皮质钉固定时内固定接骨板的应力集中程度较单皮质钉固定轻;双侧咀嚼较单侧咀嚼的应力集中程度轻。结论：对于下颌骨颏部-体部层片状骨折，采用双皮质钉的坚固内固定方式较单皮质钉固定方式力学稳定性好，更有利于为骨折愈合创造良好的生物力学环境。

[关键词]下颌骨骨折;层片状骨折;生物力学;三维有限元

[中图分类号]R782.4    [文献标志码]A    [文章编号]1008-6455（2019）11-0063-03

Abstract： Objective  To establish a three-dimensional finite element model for rigid internal fixation of mandibular mental-body lamellar fracture， and to analyze the biomechanical changes of mandible under functional loading. Methods A three-dimensional finite element model of mandible was established based on CT data of healthy volunteers. On this model， the mental-body （right side） laminar fracture of mandible was simulated， and the rigid internal fixation with mini plates was simulated. According to the length of internal fixation screws， it was divided into single-cortical screw fixation and double-cortical screw fixation. According to the type of load， it was divided into right-side masticatory load， left-side masticatory load and bilateral masticatory load， totally 6 operating modes. The displacement between fracture sites and Von Mises stress distribution of internal fixation plate under each operating mode were analyzed. Results  Compared with unicortical screws fixation operating modes， the displacement between fracture sites in bicortical screws fixation operating modes was shorter. The displacement between fracture sites reached 0.158 mm when the masticatory forces was applied on the affected side， which was the longest displacement and exceeded the warning limit of 0.15mm. The stress concentration on internal fixation plate with bicortical screws was lighter than that with unicortical screws. In addition， the stress concentration on internal fixation plate in bilateral loading modes was lighter than that in unilateral loading modes. Conclusion For mandibular mental-body lamellar fractures， the mechanical stability of the mandible fracture fixed with bicortical screws is better than that with unicortical screws， which is more conducive to creating a better biomechanical environment for bone healing.

Key words： mandibular fracture; lamellar fracture; biomechanics; three-dimensional finite element method

随着颌骨创伤理论的发展和骨折治疗理念的更新，坚固内固定技术已广泛应用于颌骨骨折的临床治疗之中。大量的文献报道均显示出坚固内固定技术显著提升了颌骨骨折的治疗效果，并有助于早期功能运动。特别是对于新鲜骨折的治疗，同保守治疗相比，坚固内固定有助于患者早期行使口腔功能，从而降低了颌骨骨折对患者的口腔卫生、饮食以及营养等健康因素的影响[1-2]。然而，坚固内固定并没有杜绝颌骨骨折治疗并发症的发生，术后感染、骨折愈合不良等是常见的术后并发症[3-4]。通常认为，力学稳定性与坚固内固定术后并发症密切相关。下颌骨颏部-体部层片状骨折属于下颌骨骨折的一种类型，是指下颌骨骨折后骨折断面并非垂直于下颌骨长轴，而是与下颌骨长轴形成一个较小的夹角，使得下颌骨唇颊侧骨皮质与舌侧骨皮质分离形成层片状。虽然这类骨折并非下颌骨骨折的常见类型，但由于其骨折线走行的特殊性，为临床治疗带来了一定的挑战。因此，笔者建立了下颌骨颏部-体部层片状骨折的三维有限元模型，并模拟了不同的内固定方式，研究分析了在功能性载荷作用下骨折断面和内固定材料的应力分布规律，并分析了骨折断端间的相对位移，以期為临床治疗提供理论参考。

1  材料和方法

1.1 下颌骨三维有限元模型的建立及下颌骨颏部-体部层片状骨折（右侧）的模拟：选用牙列完整、咬合关系正常、无任何TMD症状和体征的1例成年健康男性志愿者作为建模素材。通过CT扫描获取下颌骨影像学二维数据，将所得数据经Mimics软件（比利时Materialise公司）转换并形成三维立体模型后导入Geomagic Studio软件（美国Geomagic公司）中进行进一步精细建模，再将所得模型导入Ansys软件（美国Ansys公司）中进行下颌骨颏部-体部骨折的模拟及三维有限元分析。钛板模型在Geomagic Studio软件建立后导入Ansys软件使用。钛钉模型在SolidWorks2012软件（美国Dassault Systèmes公司）中建立后再导入Ansys软件中使用。

所模拟的骨折类型为下颌骨颏部-体部（右侧）层片状骨折。所模拟的钛板为下颌骨骨折内固定常用的标准四孔型小型钛板，内固定螺钉大小分为2.0×6mm的单皮质螺钉和2.0×12mm的双皮质螺钉。模拟的骨折线固定方式为常规的根尖下和近下颌骨下缘处两块接骨板内固定。所模拟的骨折类型及固定模式如图1所示。

1.2 三维有限元分析的载荷条件及分析工况：对髁突顶部予以约束即以铰链模式模拟颞下颌关节运动，在单侧或双侧下颌第一磨牙牙合面予以约束以模拟咀嚼食物的功能状态。分别在双侧咬肌、翼内肌及颞肌附着区加载功能状态下的力量以模拟咀嚼状态。模型材料属性、载荷力量大小及方向等参考前期研究文献[5-7]。笔者分析在不同约束、相同载荷及相同骨折情况下单皮质螺钉固定与双皮质螺钉固定方式下骨折断端间的位移大小及内固定接骨板的应力分布情况。具体而言，分6种工况分析：根据第一磨牙牙合面约束（模拟咀嚼）的不同，区分为右侧约束、左侧约束及双侧约束三种状态，每种约束状态包含单皮质钉固定和双皮质钉固定两种固定模型。各工况其他约束条件、载荷及骨折情况相同。

1.3 观察部位及指标：采集骨折断端间的相对最大位移，对比分析不同工况下骨断端间的裂隙大小，以分析内固定的稳定性，位移越小者越利于骨折愈合;观察在不同工况中内固定接骨板的Von Mises应力值大小及其分布情况，以分析内固定材料使用的合理性，Von Mises应力值较小者更为合理。

2  结果

结果显示，不同工况下骨折断端间的最大位移存在一定程度的差异。总体而言，双皮质钉固定时骨断端间相对位移小于单皮质钉固定。而右侧（患侧）咀嚼时骨断端间的相对位移最大，其中单皮质钉固定右侧咀嚼时骨折断端间的相对位移达到了0.158mm，超过了临床内固定要求的警戒线0.150mm。不同工况下的位移见图2。

内固定接骨板上的Von Mises应力集中程度也间接反映了骨折内固定的稳定程度。单皮质钉固定情况下内固定接骨板的应力集中程度较为明显：右侧单侧咀嚼时的Von Mises应力值最大，应力值为234.07MPa，双侧咀嚼时的最大Von Mises应力值为96.38MPa;双皮质钉固定情况下内固定接骨板的应力集中程度较轻，尽管也是右侧单侧咀嚼时的Von Mises应力值最大，应力值为105.97MPa，但明显小于单皮质钉固定情况，而双侧咀嚼时的最大Von Mises应力值也仅为22.75MPa。总体而言，双皮质钉固定时内固定接骨板的应力集中程度较单皮质钉固定轻;双侧咀嚼较单侧咀嚼的应力集中程度轻。见图3。

3  讨论

颌骨在功能负载情况下内部的应力体系十分复杂，而骨折发生后颌骨的连续性中断便意味着颌骨内的应力轨迹中断，继而失去了抗力结构和承载功能。颌骨骨折内固定的目的就在于临时重建应力传导的替代结构，在恢复口腔功能的同时为骨折愈合创造条件。不稳定的骨折固定难以避免骨折断面在功能状态下的相对错动，从而引起骨折愈合不良甚至出现感染。

对于骨折断面为垂直面的下颌骨颏部骨折来说，坚固内固定治疗并不存在困难，通常选用两块小型接骨板，分别置于根尖下5mm区域和下颌骨下缘上3mm区域，即可获得稳定的治疗效果。然而，当骨折断面为层片状时，尽管骨折线的唇侧仍位于颏部区域，但是舌侧骨折线可以向后延伸至下颌第一磨牙的舌侧区域，由于内固定接骨板只能置于下颌骨的唇颊侧，因此，采用常规的颏部骨折内固定方式对这类骨折进行治疗能否达到理想的生物力学稳定效果尚不明确。

基于三维有限元的生物力学分析是颌骨内固定稳定性评价的一种重要手段[8-11]。在材料力学有限元分析中常常选用的一个指标是Von Mises应力，它又称等效应力，对于韧性材料（如金属）来说是一个重要参数，用于界定屈服点，一旦达到屈服点，材料将不具有弹性，产生永久变形。本研究建立了下颌骨颏部-体部层片状骨折模型，并模拟了在颏部唇侧骨折线区以两块小型接骨板加6mm单皮质钉固定的经典固定方式以及两块小型接骨板加12mm双皮质钉固定的方式，分析了两种固定方式下骨折断端的位移情况以及内固定材料的应力分布情况。笔者发现各工况的接骨板Von Mises应力集中情况远未达到材料的屈服强度。双皮质钉固定方式下内固定接骨板的Von Mises应力集中程度较单皮质钉固定方式轻，也就是说双皮质钉固定方式下固定材料上的应力分布更为均匀、合理。过于集中的应力可引起材料疲劳变形，甚至断裂。对于颌骨坚固内固定来说，接骨板上的异常应力集中可能会导致固定失败，进而导致骨折愈合不良。

骨折术后骨断端间的相对位移对骨折愈合有一定影响，通常认为位移超过150μm将不利于骨折愈合[12]。层片状骨折断面的舌侧近心端远离内固定区，是骨折固定的薄弱环节，笔者选择此处骨折裂隙作为观测点，分析功能载荷下骨断端间最大位移。研究发现，单皮质钉固定右侧磨牙咀嚼状态下骨折断端间的相对位移大于150μm，而双皮质钉固定情况下骨折断端间相对位移小于150μm。这提示，单皮质钉固定层片状骨折时不能形成理想的初期稳定性，可能会对骨折愈合产生一定程度的影响。

在本研究中，笔者通过建立颌骨骨折及内固定模型，从生物力學角度分析了内固定的合理性。但在实际临床条件下，影响骨折愈合的因素众多，生物力学只是其中一种因素。例如：手术中骨断端间的血凝块及肉芽组织清理的彻底程度也影响到骨折复位即骨断端间的贴合程度。事实上，受局部解剖因素及微创治疗理念的限制，层片状骨折的舌侧近心断端区的探查清理一直是临床治疗的难点。本研究所建立的骨折模型仅代表了临床常见的层片状骨折类型，并不能代表所有的层片状骨折类型。虽然颌骨坚固内固定的治疗原则主张早期功能性运动，但由于个体间存在差异，不同人对疼痛的耐受程度以及对食物的偏好程度不同，所产生的咀嚼力大小也不尽相同。可见，本研究的力学分析模型并不能代表所有临床条件，这也是本研究的不足之处。

综合以上研究结果分析，在功能载荷状态下，虽然两种固定方式下内固定接骨板的应力集中均未达到材料的疲劳极限，但单皮质固定方式仅可形成唇颊侧骨折线的稳定固定，并不能稳定固定舌侧骨折线，而双皮质钉固定则可达到理想的唇侧及舌侧骨折线稳定性。因此，在本研究条件下，笔者认为对于下颌骨层片状骨折来说，采用双皮质钉固定的方式有助于形成理想的力学稳定性，并有可能降低骨折愈合不良情况以及术后感染等并发症的发生。

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[收稿日期]2019-05-23

本文引用格式：虎小毅，史婧怡，屠军波，等.下颌骨层片状骨折内固定方式的选择及生物力学分析[J].中国美容医学，2019，28（11）：63-66.