《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Integrating computational evaluation and mechanical testing to optimize laser-sintered polyether ketone scaffolds for mandibular reconstruction in large animal models
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阿迪蒂·古普塔|万博阳|威廉·T·卢因|程凯|扎卡里·吉列特|亚伦·娄|玛萨科·邓恩|戴尔·豪斯|大卫·莱因克拉姆|杰里米·M·克鲁克|乔纳森·R·克拉克澳大利亚新南威尔士州坎珀当，国家健康与医学研究委员会口腔癌应用创新研究卓越中心，2006年摘要面积较大的下颌骨缺损需要重建策略
阿迪蒂·古普塔|万博阳|威廉·T·卢因|程凯|扎卡里·吉列特|亚伦·娄|玛萨科·邓恩|戴尔·豪斯|大卫·莱因克拉姆|杰里米·M·克鲁克|乔纳森·R·克拉克
澳大利亚新南威尔士州坎珀当，国家健康与医学研究委员会口腔癌应用创新研究卓越中心，2006年
摘要
面积较大的下颌骨缺损需要重建策略，在恢复机械功能的同时避免骨移植和金属固定带来的限制。本研究旨在通过结合计算与实验方法，优化激光烧结聚醚酮支架的机械性能。研究评估了三种具有不同骨-植入物界面设计的支架结构（直切/非弯曲、直切/弯曲以及楔形切/弯曲），并运用基于图像的有限元分析、扩展有限元法进行断裂模拟，同时在羊下颌骨上开展体外力学测试。计算结果显示，界面设计会显著影响应力分布和变形情况，其中楔形切/弯曲设计产生的峰值应力最低，应力分布最为均匀。在模拟下颌骨受力条件下的力学测试也验证了这一结论，该设计具有更高的承重能力，且在失效前能承受更大变形。此外，楔形切支架的失效始终始于天然骨而非支架本身，这说明该设计能更好地传递载荷并降低应力集中。扩展有限元法预测的裂纹起始位置和传播路径与实验观察到的失效模式高度吻合，进一步证明了该计算框架的可靠性。总体而言，这些研究表明对LS-PEK支架的几何结构进行优化可提升其机械性能，楔形切/弯曲设计能够更好地分配载荷并提高抗断裂能力，因此有望用于需要高强度承重植入物的个性化下颌骨重建手术。未来还需进行包括骨整合、血管生成、疲劳性能以及长期体内反应等方面的生物学评估，以确定其实际应用可行性。
引言
面积较大的下颌骨缺损仍是颅面重建领域中最具挑战性的问题之一，尤其是在肿瘤切除术后，此时需要恢复implant的承重功能、解剖结构完整性以及长期稳定性（Jeong等人，2024；Wan等人，2025）。因此，对重建策略进行临床前评估十分重要，但由于下颌骨复杂的生物力学环境，这一工作仍面临诸多困难（Pearce等人，2007）。羊下颌骨可作为临床前评估的理想大型动物模型，因为其大小和受力条件与人类较为相似（Xin等人，2024）。羊类会持续进行反刍动作，产生反复的咀嚼力，这种持续的周期性力学负荷能够加速重建部位的应力积累，非常适合用来评估承重下颌骨植入物的稳定性和耐用性（Orassi等人，2021；Carvalho等人，2018；Kaske等人，2002）。
虽然自体骨移植仍是临床应用中的金标准，但它存在供骨量有限以及供区可能出现并发症的问题（如疼痛和感染；Leinkram等人，2021；Petrides等人，2022）。因此，有必要开发经济、有效且风险较低的功能性人工植入物（Rana等人，2011；Kennedy & Mikos，2025；Shayesteh等人，2016；Roseti等人，2017；Zhao等人，2023）。支架引导的骨再生技术通常采用可吸收或不可吸收的支架方案。可吸收支架虽具有生物学优势，但其机械强度较低，通常需要搭配金属板作为辅助固定。而在肿瘤重建中，金属固定会带来应力屏蔽、干扰放疗以及影响影像学检查等弊端。因此，能够独立承受功能负荷的不可吸收支架则是一种更具吸引力的替代方案（Xin等人，2024；Zheng等人，2022）。
聚醚酮属于聚芳醚酮家族中的高性能热塑性材料，由于其弹性模量与骨组织相近、具有透射性且生物相容性好，被视为无需使用金属即可实现下颌骨重建的理想材料。通过等离子体处理等表面改性技术可以有效解决其生物惰性表面的问题，从而提升骨整合效果（Clark等人，2025）。要充分发挥PAEK材料的潜力，就需要采用高精度、与患者个体特征相匹配的制造工艺，以便适配复杂的下颌骨解剖结构以及有助于骨传导的内部构造（Ghita等人，2014；Gharda Polymers，2015；Greene Tweed，2023）。先前的研究表明，在现有的增材制造技术中，高温激光烧结技术能够制造出结构精确、多孔且具备较高承重能力的PEK支架（Ghita等人，2014；Clark等人，2025）。不过，这类支架的机械性能在很大程度上取决于其设计结构，必须经过精心优化才能承受实际使用中的负荷（Singh等人，2024；Ghita等人，2014）。
计算建模为颅面重建中的支架设计优化提供了有力的工具。以往的研究已利用有限元法来优化骨组织支架的材料成分和结构参数（Uth等人，2017；Soufivand等人，2020）。然而，这些方法往往忽视了个体间的解剖差异，而这正是下颌骨重建中的关键问题——骨的几何结构决定了局部的力学负荷和失效风险。基于解剖影像的有限元分析技术则可以克服这一缺陷，能够在符合生理条件的受力情况下对机械应力进行个性化评估（Ghionea等人，2025；Kucukguven等人，2020）。为了进一步研究断裂行为，扩展有限元法无需依赖网格结构即可分别模拟裂纹的起始和传播过程，从而能够高效、准确地模拟天然材料及合成材料中的复杂断裂机制。在本研究中，我们结合基于影像的有限元分析和扩展有限元法，以及在羊下颌骨上开展的体外力学测试，来评估用于下颌骨重建的激光烧结PEK支架的承重性能、应力分布情况以及失效机制。这种计算与实验相结合的方法有助于系统地分析不同设计方案的效果，也为无需使用移植材料及金属板的重建策略的临床应用提供理论支持。具体而言，我们的研究目标为：（1）分析不同支架设计下的承重能力、应力分布情况以及失效模式；（2）验证计算模型的预测精度是否与体外实验结果一致。
我们设计了一种经过几何结构优化的3D打印LS-PEK支架，用于在大型动物模型中重建面积较大的下颌骨缺损。我们系统地改变了支架的界面设计，分别在应力集中区域添加实心弯曲加固结构，同时调整截骨角度形成楔形结构，以此提升骨与支架之间的载荷传递效率。研究结果表明，在符合生理条件的咀嚼负荷作用下，截骨结构会显著影响载荷传递、变形模式以及断裂行为。楔形切/弯曲的加固设计能够在保持支架结构完整性的同时，平衡刚度和柔韧性，降低应力集中程度，使支架能够在更高负荷下才发生失效，且失效时应力会转移到天然骨上。通过结合有限元分析、扩展有限元法模拟以及力学测试，本研究为设计出具有更好机械稳定性的个性化下颌骨支架、用于承重型颅面重建应用提供了可行方案。
章节节选
动物模型
由于成熟羊（绵羊，7–8岁）的骨密度、大小以及生物力学特性与人类极为相似（Pearce等人，2007；Orassi等人，2021；Carvalho等人，2018），因此我们选用其下颌骨作为人类下颌骨缺损的模型。选择年龄较大的羊是因为它们的骨代谢速率与成年人类相近。值得注意的是，反刍动物每天会进行7–8小时的重复性咀嚼动作，这种持续的咀嚼负荷会给下颌骨带来更高的机械应力
不同支架设计的对比有限元分析
在施加100牛顿的垂直负荷且后部进行固定的条件下（见图4），三种支架设计展现了不同的力学表现。设计1（直切/非弯曲）的变形程度与设计2相似，均为1.54毫米，但其最大主应力值却高于其他两种设计，达到了39兆帕。非弯曲的界面设计会导致局部应力集中，从而成为潜在的裂纹起始点。而设计2（直切/弯曲）则降低了应力集中的程度
讨论
本研究在大型动物模型中评估了基于LS-PEK支架的植入物在重建面积较大下颌骨缺损中的应用效果，通过有限元分析以及体外力学测试来分析不同设计对支架性能的影响。我们共比较了三种支架设计：直切/非弯曲型（设计1）、直切/弯曲型（设计2）以及楔形切/弯曲型（设计3）。体外和计算机模拟实验均显示，楔形切/弯曲型的LS-PEK支架具有更低的峰值应力、更高的失效负荷以及更大的变形程度
结论
通过对个性化植入物设计进行简单改进，就能显著提升其机械性能。在本研究中，楔形切/弯曲型的LS-PEK支架能够有效降低应力集中，使其在失效前可以承受更大变形，同时还能实现更好的载荷在支架与骨之间的传递。这些研究结果充分体现了界面设计在提升承重植入物的稳定性和抗断裂性能方面的关键作用。不过，如何最有效地验证这些设计方案的实用性仍是一个需要解决的问题
CRediT作者贡献说明
阿迪蒂·古普塔：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、项目管理、方法设计、实验研究、概念构思。乔纳森·R·克拉克：论文撰写——审阅与编辑、可视化处理、项目监督、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金筹集、概念构思。杰里米·M·克鲁克：论文撰写——审阅与编辑、项目监督、资源协调、实验研究、资金筹集、概念构思。扎卡里·吉列特：论文撰写——审阅与编辑。程凯：
未引用参考文献
Berretta等人，2015；Chi等人，2024；Evans等人，2015；Greene，2023；Ingawale等人，2022；Kucukguven和Akkocao?lu，2020；Liverani等人，2021；Ma等人，2020；Mohamed等人，2024；Rustom等人，2019；Toms等人，2002；Toth等人，2006；Van Eijden，2000；Vollmer等人，2000；Wan等人，2025；Wazen等人，2013。
利益冲突
J.M.C.、J.R.C.、W.T.L.、D.H.、K.C.以及D.L.是Chris O’Brien Lifehouse公司提交的与本研究相关技术专利申请的共同发明人，该专利申请包括澳大利亚临时专利申请号2023903710（2023年11月提交），以及国际专利申请号PCT/AU2024/051213，专利名称为“用于牙齿和骨骼的植入物”，提交时间为2024年11月。其余作者声明不存在任何利益冲突。
资金支持
本研究得到了新南威尔士州癌症研究所（CINSW 2020/2081 JRC）、Arto Hardy家族基金会、Walker家族基金会以及国家健康与医学研究委员会的资助（编号：2024602）。
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
特别感谢Walker家族基金会、Arto Hardy家族基金会，以及悉尼大学Charles Perkins中心的实验动物服务团队。
