《Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery》：Biomechanical and fatigue analysis of a porous titanium total temporomandibular joint prosthesis with different mandibular component lengths and designs
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摘要本研究基于Walter Lorenz（Biomet）系统，利用有限元分析评估了用于全颞下颌关节置换（TMJR）的Voronoi晶格结构下颌升支组件在迷你型（mini-TMJR）、标准型（TMJR）和延长型（eTMJR）三种配置下的生物力学行为和疲劳寿命。三维模型来源于Vi
摘要
本研究基于Walter Lorenz（Biomet）系统，利用有限元分析评估了用于全颞下颌关节置换（TMJR）的Voronoi晶格结构下颌升支组件在迷你型（mini-TMJR）、标准型（TMJR）和延长型（eTMJR）三种配置下的生物力学行为和疲劳寿命。三维模型来源于Visible Human Project的CT数据。针对每种升支长度，分析了四种设计方案：填充率分别为25%、50%和75%的Voronoi晶格结构，以及全实心设计，模拟单侧左磨牙紧咬的咀嚼力。评估了von Mises应力、主骨应力和疲劳安全系数。升支应力随填充率增加而降低，范围从363.5 MPa（TMJR 25% Voronoi）到71.3 MPa（eTMJR实心设计）；所有设计均显示出无限疲劳寿命，安全系数为1.5–7.8。关节窝和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的应力随填充率增加而升高，所有模型中UHMWPE应力均超过聚乙烯的屈服强度，而骨应力保持在生理极限范围内。低填充率设计将更多载荷传递至骨骼，可能减少应力屏蔽效应，而eTMJR实心设计显示出最低的升支应力和最高的安全系数。在模拟条件下，Voronoi晶格升支组件表现出可接受的生物力学性能，但仍需长期的生物学和临床验证。
引言
颞下颌关节（TMJ）是人体最复杂的关节之一，其特征为铰合-滑膜混合型结构，能够同时完成旋转和平移运动，这对言语、咀嚼和吞咽至关重要（Woodford等人，2023）。这些独特特征在颅颌面重建中带来了重大挑战。对于晚期病变，如严重骨关节炎、关节强直和肿瘤，使用人工假体系统的全颞下颌关节置换（TMJR）现已被视为金标准治疗方式。这些系统的长期成功取决于其高效分配咀嚼负荷并将应力在生理极限范围内传递至周围骨骼的能力，从而确保机械稳定性并最大限度降低植入物失败的风险（Vignesh等人，2020；Almeida等人，2025）。
在现代TMJR系统中，Walter Lorenz（Biomet）假体模型是一种成熟且可靠的选项，其报告的10年生存率为96%（Rodríguez等人，2026）。然而，假体的成功很大程度上取决于其准确复制天然关节运动学的能力。由于缺乏确定旋转轴的标准化方法，且依赖经验性方法，这可能损害生物力学性能，最终限制TMJ假体的长期耐用性和功能成功率。在此背景下，假体运动学中心（PKC）被认为是优化生物力学功能的关键设计参数，通过将假体运动与天然髁突运动进行对齐来实现（Rodríguez等人，2025）。
TMJ假体设计中的一个主要挑战在于刚性金属植入物（如钛合金Ti6Al4V或钴铬钼CoCrMo）与周围相对柔性的骨组织之间的生物力学不匹配（Yüceer-?etiner等人，2025）。这种不匹配导致载荷传递从骨骼转移至假体，引发应力屏蔽、随后的骨吸收和废用性萎缩（Baba等人，2025）。为克服这些问题，研究者提出了仿生方法，如模仿人体松质骨不规则网络的孔隙晶格骨科支架结构（Safavi等人，2023）。尽管基于Voronoi的孔隙设计在广义骨科文献中引起了广泛关注，但在专门针对TMJ假体的研究中仅被少数有限评估（Xu等人，2017；Herath等人，2021；Sharma等人，2021）。
此外，系统评估TMJ假体中升支组件长度对生物力学影响的研究仍然有限（Khattak等人，2023；Irshad等人，2025）。文献中缺乏对不同假体长度（包括超过下颌角的延长设计、涉及下颌角的标准设计以及更接近髁突区域的迷你型TMJR模型）结合孔隙升支结构的综合生物力学评估（Cheng等人，2022）。此外，尽管现有研究主要关注静态载荷条件下的应力分布，但在反复咀嚼循环下TMJ假体（包括Voronoi晶格结构）的疲劳性能仍基本未被探索（Xu等人，2017；Ingawale和Goswami，2022）。因此，整合PKC概念并同时考虑假体长度和孔隙设计参数的综合生物力学方法尚未建立。
本研究旨在对基于Walter Lorenz模型的TMJ假体设计进行生物力学比较，这些设计具有不同的下颌升支组件长度，同时保持PKC位置恒定。研究了三种配置，包括延长型TMJR（eTMJR）、TMJR和迷你型TMJR。对于每种设计，通过疲劳寿命评估分析了填充率分别为25%、50%和75%的基于Voronoi的孔隙结构的生物力学行为以及实心设计，以全面评估其对植入体、固定螺钉和周围骨组织的影响。
各章节摘要
研究设计
本研究为一项确定性比较有限元分析，旨在评估在相同边界和载荷条件下TMJR中Voronoi晶格升支组件的生物力学行为和疲劳寿命。本研究由Hacettepe大学牙科学院与Tinus Technologies Corp.（土耳其安卡拉）合作完成。模型准备、网格划分和分析在HP工作站（HP Inc.，美国加利福尼亚州帕洛阿尔托）上进行。
结果
假体组件的von Mises应力分布和疲劳安全系数见表4和图6。下颌骨和颞骨中的主应力值总结见表5和图7。
在所有配置中，升支组件的von Mises应力值随Voronoi填充率的增加而降低。最高值记录于TMJR 25% Voronoi模型（363.5 MPa），最低值记录于eTMJR实心模型（71.3 MPa）。所有升支组件的应力值均保持在
讨论
本有限元分析评估了基于Walter Lorenz（Biomet）参考系统开发的迷你型TMJR、TMJR和eTMJR配置中Voronoi晶格结构升支组件在相同边界和载荷条件下的生物力学行为和疲劳寿命。Voronoi拓扑设计旨在实现足够的机械强度、抗疲劳性能、减重、复制骨组织的力学特性并减轻应力屏蔽效应。
结论
在模拟载荷条件下，Voronoi晶格结构升支组件表现出可接受的生物力学性能。在所有迷你型TMJR、TMJR和eTMJR配置中，安全系数均大于1，骨应力值保持在生理极限范围内。虽然低填充率的Voronoi设计将更多载荷传递至周围骨骼，从而可能减少应力屏蔽效应，但最佳生物力学设计参数的确定应以
资金支持
本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的具体资助。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
Ayd?n Onur Ger?ek | Salih Eren Meral | Hakan H?fz? Tüz
