《Journal of Functional Biomaterials》：Biomechanical Evaluation of Patient-Specific Titanium Fixation Systems for Segmental Le Fort I Osteotomy: A Finite Element Analysis
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患者特异性Ti–6Al–4V固定系统日益用于稳定节段性Le Fort I型截骨术后的上颌骨；然而，完整锁定与非锁定患者特异性固定构型的生物力学响应仍缺乏充分表征。研究人员通过线性弹性有限元分析(FEA)分析了两种患者特异性接骨板设计（标准设计与减量化微创设计）
患者特异性Ti–6Al–4V固定系统日益用于稳定节段性Le Fort I型截骨术后的上颌骨；然而，完整锁定与非锁定患者特异性固定构型的生物力学响应仍缺乏充分表征。研究人员通过线性弹性有限元分析(FEA)分析了两种患者特异性接骨板设计（标准设计与减量化微创设计），每种均配锁定与非锁定螺钉。由于二者为不同适应证并在不同患者特异性解剖模型中评估，跨模型比较仅作描述性处理。研究人员在切牙与前磨牙区双侧施加97.6、206.9与257.0 N垂直力，评估骨、接骨板与螺钉的等效应力(von Mises stress)与总位移(total displacement)。所有结果随载荷线性缩放。标准模型内，锁定构型骨、板、钉位移略大于相应非锁定构型；减量化模型内，其最大骨、板、钉位移分别降低16.4%、19.2%与16.3%。求解器报告的局部应力极值集中于钉头/板孔过渡区；因这些孤立峰值对接触与网格敏感，未用于量化相对螺钉载荷或预测屈服。所建锁定与非锁定固定构型表现出不同的、依赖模型的位移模式。需进一步受控模拟与实验验证以确定这些发现的临床相关性。
研究背景方面，正颌外科中Le Fort I型截骨术是矫正中面部牙颌面畸形的标准术式，钛接骨板与螺钉的刚性内固定为临床常规；但术后复发可因载荷不利、构型稳定性不足或截骨端力传递不佳而发生，最优固定构型仍未完全明确。数字规划、CAD/CAM与增材制造推动了贴合个体上颌解剖的患者特异性钛固定系统发展，其作用受接骨板几何、螺钉分布与螺钉?板啮合影响。Ti–6Al–4V因强度重量比、耐蚀性与生物相容性广泛用于颅颌面固定。有限元分析(FEA，finite element analysis)可在无体内实验限制下评估应力分布与位移模式。既有研究多比较板数、板位与传统微型板，而同一上颌解剖内、多功能性载荷水平下完整锁定与非锁定患者特异性构型的生物力学证据有限。因此，研究人员旨在两种患者特异性模型中，于相同载荷与边界条件下比较完整锁定与非锁定固定构型。
该论文发表于《Journal of Functional Biomaterials》。
主要技术方法上，研究人员取两名成人患者（骨性II类与III类）的锥形束CT(CBCT，cone-beam computed tomography)数据重建两个患者特异性颅颌面模型；标准设计用于III类模型并跨鼻上颌与颧上颌支柱，减量化设计用于II类模型并限于鼻上颌区含横向前部组件。接骨板与螺钉在3-matic Medical中设计，非锁定用2.0×5 mm钛微型螺钉，锁定用带螺纹头嵌入板螺纹孔的定制螺钉。模型以二阶四面体单元离散，骨设为均匀各向同性线弹性：皮质骨杨氏模量14.8 GPa、泊松比0.35，松质骨1.85 GPa、0.30；Ti–6Al–4V为110 GPa、0.30。 Superior面全约束，切牙与前磨牙区双侧加97.6、206.9、257.0 N垂直准静态力；骨?板、螺钉?骨、截骨面取绑定接触，锁定板?螺钉为绑定、非锁定为摩擦系数0.3接触。用ANSYS Mechanical 2025 R2稀疏直接求解器分析等效应力与总位移，并以最大节段位移与代表非奇异板应力做网格收敛。
3.1 网格收敛：研究人员对四种构型用2.00、1.50、1.00、0.75 mm四级网格细化，在206.9 N下以最大节段位移和远离奇异区的代表板应力判收敛；选定网格相对最细网格位移变化0.25%–0.30%、板应力变化低于2%，确认收敛充足。
3.2 标准患者特异性固定模型：锁定与非锁定：标准模型中，最大等效应力与总位移随载荷近似比例增加；257.0 N时锁定构型骨位移0.944 mm、板0.145 mm、钉0.161 mm，均大于非锁定的0.872、0.134、0.143 mm。求解器报锁定螺钉局部峰值3922.80 MPa、非锁定879.15 MPa，但因位于接触敏感区且接触公式不同，仅作原始输出，不用于排秩或预测屈服。结论为标准模型内锁定构型组件位移稍大。
3.3 减量化患者特异性固定模型：锁定与非锁定：减量化模型中同样随载增加；257.0 N时锁定较非锁定骨、板、钉位移降约16.4%、19.2%、16.3%（未算构件刚度）。锁定骨、板、钉求解器峰值1584.10、2340.90、3927.10 MPa，非锁定358.13、1324.20、671.26 MPa；这些孤立极大值空间范围未量化，线弹性骨模型无屈服/损伤重分布，故不看作生理骨应力或失败预测。结论为减量化模型内锁定构型位移更低。
3.4 模型特异性生物力学结果描述性概览：两模型中全局最大等效应力与位移随载比例上升，锁/非锁相对位移差在各载荷一致但跨模型不同；全局应力极值为锁定构型的螺钉、非锁定构型的接骨板。高应力位于截骨与固定区，最大位移位于可动牙槽段；因未做区域平均或百分位应力且奇异峰值未入收敛评估，不用其定量排秩。
讨论部分总结：研究人员指出，标准模型锁定位移稍大、减量化模型锁定位移更低，但螺钉几何与板?螺钉接触公式同时变化，不能单独归因为锁定机制；无受控参数分析，不能分离固定特征、板几何、螺钉分布、接触假设与个体解剖的贡献。约3923–3927 MPa螺钉峰值超增材制造Ti–6Al–4V屈服强度，但线弹性模型不模拟塑性重分布，且螺纹过渡为再entrant几何、绑定接触更约束，使峰值网格敏感、不可作屈服/失效依据。减量模型骨峰值1584.10 MPa高出一个数量级于皮质骨强度，但各向同性线弹性骨无各向异性、损伤与愈合重分布，该值仅为数值临界区标识。硬件并发症临床少见，移除多因感染而非机械失效；循环咀嚼下螺纹界面应力集中比静态屈服比较更值得关注。研究局限含无愈合计时、无肌肉力、静态单向垂载、无疲劳、接触理想化、无接触敏感与不确定度分析、无实验验证。未来应做因子敏感分析、非线性接触、弹塑性Ti–6Al–4V、各向异性/损伤骨、多向载荷及打印骨替代物实验。
结论部分翻译：在本有限元研究的限度内，两个患者特异性上颌模型中评估的锁定与非锁定构型在三种功能性载荷水平下表现出不同的生物力学响应。锁定构型在标准模型中组件位移更大，在减量化模型中位移更小，表明其生物力学响应具模型依赖性。应力分布将固定界面标识为对接触与几何敏感的应力集中区；但骨与固定组件中的孤立最大应力不被视为具物理代表性的值，也未用于构型排秩或材料失效预测。从临床角度，这些发现支持以构型级优化平衡机械稳定性与分布式载荷传递；其并未确立锁定机制的独立生物力学优势。
