《Bioengineering》：Finite Element Analysis of Ultra-Short, Extra-Short, and Conventional Dental Implants in Fibula Free Flap Mandibular Reconstruction
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腓骨游离瓣下颌重建的牙科康复可能受到可用于种植体植入的垂直骨高度减少的限制。本研究评估了超短、超短型及常规种植体在重建腓骨中的生物力学影响。方法：建立了一个患者特异性的腓骨重建下颌骨有限元模型。在术后单侧磨牙载荷条件下，比较了三颗直径4 mm、长度分别为3、5
腓骨游离瓣下颌重建的牙科康复可能受到可用于种植体植入的垂直骨高度减少的限制。本研究评估了超短、超短型及常规种植体在重建腓骨中的生物力学影响。方法：建立了一个患者特异性的腓骨重建下颌骨有限元模型。在术后单侧磨牙载荷条件下，比较了三颗直径4 mm、长度分别为3、5或12 mm的夹板式种植体。评估了种植体、腓骨、残余下颌骨及固定钢板中的Von Mises应力，同时评估了种植体周围骨的等效弹性应变。结果：种植体长度对种植体应力（36.8–37.1 MPa）和腓骨皮质骨应力（52.5–53.1 MPa）的影响极小。5 mm种植体产生最低的种植体周围应变和最低的后方重建钢板应力（71.3 MPa），而3 mm和12 mm种植体分别为75.4 MPa和107.8 MPa。12 mm种植体产生更大的根尖应变集中，在中央和近中种植体周围超过了所采用的机械生物学阈值。结论：在本研究的局限性内，且在模拟的即刻术后加载条件下，较短的种植体，尤其是5 mm种植体，显示出有利的生物力学响应。
腓骨游离瓣下颌重建中不同长度种植体的生物力学评价：一项患者特异性有限元分析
一、研究背景与问题提出
下颌骨重建对于恢复咀嚼、言语、面部美观及患者身份认同至关重要。在众多重建方案中，腓骨游离瓣因其多功能性、临床可靠性及有利于种植体整合的骨质量而被广泛用于节段性和复杂性骨缺损。尽管腓骨游离瓣重建能可靠地恢复下颌骨连续性，但改善咀嚼功能仍是重大临床挑战。相关研究显示，在健康相关生活质量问卷评估的各领域中，咀嚼评分最低，且多数患者表达了下颌重建后进行牙科康复的强烈意愿，主要目的在于改善咀嚼和美观。
传统上，腓骨游离瓣重建后的功能性牙科康复需要分期手术和修复方案，总治疗时间长达6–18个月。为克服这些局限，数字化驱动的工作流程被开发出来，将虚拟规划、腓骨游离瓣重建、即刻种植体植入和临时固定修复整合到单一外科手术中，即"一日下颌"（Jaw in a Day, JIAD）理念。尽管即刻种植具有直接手术入路、改善种植体定位控制及缩短康复时间等优势，但延迟种植在临床实践中仍较常见，以降低损伤血管化骨的风险。在肿瘤患者中，放疗进一步影响种植时机，放疗后种植的存活率较低。
从种植修复角度看，腓骨虽提供有利于骨整合的骨质量，但其三角形横截面和相对于天然下颌骨较低的高度可能造成垂直向差异。腓骨的双皮质解剖结构有利于获得高初期稳定性，但双皮质种植需要仔细评估残余骨几何形态，有临床报告描述了严重种植体周围骨丧失导致病理性骨折风险的病例。在此类情况下，短种植体、超短种植体和超短型种植体可能是合适的替代方案，因为它们需要较少的垂直骨高度。已有临床研究观察到短种植体和超短种植体在骨微血管游离瓣中的100%存活率，但早期研究提示短种植体在放疗患者中可能具有较高失败风险。这些发现表明，种植体长度不仅在临床角度，而且在生物力学角度都扮演重要角色，因为种植体成功不仅取决于生物学因素，还取决于从修复体上部结构到种植体周围骨的载荷传递机制。
在此背景下，有限元分析已被用于研究种植体位置、数量、修复体夹板固定及种植体几何形状对重建下颌骨和种植体周围骨应力传递的影响。然而，据研究人员所知，种植体长度与修复体夹板固定的联合效应尚未在腓骨重建下颌骨的患者特异性模型中研究。因此，本研究采用有限元分析比较超短、超短型和常规夹板式种植体，评估缩短长度配置是否能提供优于常规种植体的生物力学替代方案。
二、主要技术方法
本研究基于Ruf等人的研究构建有限元模型，该模型来源于一位57岁女性口腔鳞状细胞癌患者的术前CT扫描，下颌骨切除范围从下颌角延伸至右侧尖牙区。骨几何模型以表面模型格式导出并导入Autodesk Inventor Professional 2024进行初步网格划分和组件装配。固定系统包括2 mm厚的重建钢板和两枚小型接骨板，分别以双皮质螺钉和单皮质螺钉固定。三种种植体配置各包含三颗直径4 mm、长度分别为3、5或12 mm的种植体，植入腓骨嵴水平，并以钛杆夹板连接。模型在Ansys Workbench 2024 R2中使用二阶二次四面体有限元进行网格划分，种植体网格尺寸经收敛性分析确定为0.5 mm，最终模型约含714,539个节点和416,209个单元。边界条件模拟术后即刻状态，最大肌力降至生理值的12.5%，产生40 N的单侧咬合力。下颌骨和腓骨皮质骨建模为均质正交各向异性线弹性材料，下颌骨皮质按六个解剖区域赋予区域特异性正交各向异性弹性属性，松质骨、牙齿和修复组件建模为各向同性均质线弹性材料，骨痂赋予代表肉芽组织的各向同性材料属性。
三、研究结果
3.1 固定钢板应力
在种植体支撑修复体侧加载条件下，12 mm种植体在后部重建钢板下颌角区域产生最高应力107.8 MPa，高于5 mm和3 mm种植体分别对应的71.3 MPa和75.4 MPa。前方小型接骨板应力总体较低，其中上方小型接骨板应力最高，3、5、12 mm种植体长度分别达到56.8、57.4和62.2 MPa。以钛合金屈服强度为参考计算失效指数，后部重建钢板在12 mm配置中失效指数最高达12.99%，而5 mm和3 mm配置分别为8.59%和9.08%。
3.2 腓骨应力
在所有配置中，腓骨移植体皮质骨最大应力均位于远中种植体骨切开术的嵴顶区域。健康侧单侧紧咬产生最低最大应力24.3 MPa。在种植体支撑修复体加载下，3 mm和5 mm种植体分别产生52.7 MPa和52.5 MPa的可比最大应力，12 mm种植体略微增加至53.1 MPa。
3.3 下颌骨应力
当载荷施加于种植体支撑修复体时，峰值应力出现在后部重建钢板与下颌支的交界面。12 mm种植体记录到最高值56.8 MPa，而3 mm和5 mm种植体分别为51.6 MPa和47.8 MPa。上方前部小型接骨板与下颌骨体接触区域也观察到进一步应力集中。
3.4 种植体应力
三种种植体长度的最大Von Mises应力仅显示极小变异，范围从36.8至37.1 MPa。3 mm和5 mm种植体的峰值应力位于远中种植体颈部，分别达37.0和37.1 MPa；12 mm种植体的峰值转移到近中种植体的种植体-基台连接处，数值略低为36.8 MPa。
3.5 骨-种植体界面应变
种植体周围腓骨骨的等效弹性应变分布随种植体长度变化。3 mm配置中远中、中央和近中种植体周围最大应变分别为0.0035、0.0016和0.0034 mm/mm；5 mm配置相应值降至0.0027、0.0012和0.0023 mm/mm。12 mm种植体周围所有三颗种植体的应变均增加，主要集中向根尖区域转移，远中、中央和近中种植体最大值为0.0038、0.0045和0.0047 mm/mm，其中中央和近中种植体周围值超过了采用的机械生物学阈值0.0040 mm/mm，提示可能存在骨微损伤风险增加的区域。
四、讨论与结论
在本患者特异性有限元模型中，将种植体长度从12 mm减少至5或3 mm，在即刻负载夹板条件下对种植体和腓骨皮质骨的峰值Von Mises应力影响有限。种植体应力范围为36.8至37.1 MPa，腓骨皮质骨峰值应力范围为52.5至53.1 MPa。相比之下，种植体长度与种植体周围应变分布和骨固定系统载荷传递的差异更为显著。5 mm配置显示最低的种植体周围应变，而12 mm种植体与应变向根尖区域转移相关，中央和近中种植体周围分别达0.0045和0.0047，超过采用的机械稳定性阈值0.004。12 mm配置还产生最高的后部钢板应力107.8 MPa，而3 mm和5 mm配置分别为75.4和71.3 MPa。然而，所有钢板应力均远低于Ti6Al4V屈服强度。这些发现表明，在本研究考虑的具体解剖、材料和加载条件下，较短种植体可能提供与较长种植体相当的机械响应，同时改变种植体周围应变分布和载荷传递。因此，增加种植体长度在本模型中并未显示出明确的生物力学优势。夹板固定可能进一步解释了种植体应力的微小差异，因为夹板式种植体支撑修复体提供了更均匀的应力分布和更低的位移。已有临床研究支持缩短长度种植体的临床可行性，本研究提供了补充性生物力学证据。研究局限性包括基于单一患者几何模型、仅模拟单一静态术后加载条件、组织假设为均质线弹性、未模拟骨重塑和渐进性骨整合等。因此，这些结果应被视为比较性生物力学趋势，需在更大规模的患者特异性和临床研究中验证。
在本患者特异性有限元研究的局限性内，种植体长度主要影响种植体周围应变分布和骨固定系统的载荷传递，而种植体和腓骨皮质骨应力变化较小。5 mm配置显示最低的种植体周围应变和后部钢板应力，而12 mm种植体产生更大的根尖应变集中和更高的固定系统应力传递。在本研究考察的具体解剖和即刻术后加载条件下，增加种植体长度未提供明确的生物力学优势，提示当腓骨解剖限制常规种植体植入时，短种植体和超短型种植体可能代表一种潜在选择。
