严重的外伤、感染、肿瘤等均会导致下颌骨部分或全部切除,造成其连续性中断,影响患者的面部外形及咀嚼、吞咽、语音等口腔生理功能,使患者的生活质量下降。下颌骨重建经历了一个多世纪的发展,从早期的游离骨移植,成品金属植入体,异体骨,发展到如今的血管化自体骨移植、组织工程化骨移植。这些修复方法虽然取得了一定的效果,但仍存在很多问题。在自体骨移植重建中,颌面外科医生对移植骨块的塑形及面部外形的匹配方面,除了依据头颅标本外,主要根据其个人的临床经验来估计,其主观性较强,因而很难达到理想的重建效果,此外,自体骨移植往往造成供区骨缺损,导致供区畸形和功能障碍。目前使用的全异质修复体多为成品,它根据不同的缺损情况弯曲成型,与义齿修复缺乏联系性,术后多采用传统的活动义齿修复,其支持和固位作用都较差,患者的生活质量得不到有效的提高。另外,在临床应用中也存在一些问题,主要是软组织的感染、穿孔,板的断裂等。血管化自体骨移植,由于技术难度大、对患者的耐受性要求高、并存在供区并发症的危险,这就限制了晚期放疗化疗后肿瘤病人、全身耐受性差、动脉硬化等老年患者的应用。目前,在颌面修复领域,这些问题始终困扰着临床医生和设计人员,一旦手术失败,二次手术的困难比初次手术更复杂、费时、难度更高,患者还要遭受二次创伤。因此设计一种全新的、符合下颌骨生物力学特点的、并可以长期滞留体内且兼顾功能重建的生物力型下颌骨,是一个值得医工界去深入研究的课题。研究目的:本文从下颌骨解剖、生物力学角度出发,应用CAD/CAM技术对下颌骨缺损的整体结构,含种植基桩孔道,以及固位方式进行一体化设计,建立生物力型下颌骨(Bio-Mechanical Mandible,BMM)模型,为Ⅱ期动物实验及临床应用奠定基础。探讨应用反求与快速成型技术进行下颌骨体部缺损整复设计和植入体制作的可行性。材料与方法:(1)获取一名本地区正常牙合成年男性下颌骨SCT图像数据资料(DICOM格式),应用轮廓特征提取软件(GET—POINT)以及有限元分析(FEA)法与CAD软件(Pro/E)无缝集成技术,分别构建下颌皮质骨、松质骨、牙的三维有限元模型(3—DFEM),模拟正中咬合加载,分析正常下颌骨的生物应力分布特征。(2)应用ANSYS参数化设计语言(APDL)对简化修复体支架3—DFEM进行参数化设计模拟下颌骨体部缺损(3—7),分别设计并建立双延伸肩台拉力螺钉固位方式以及传统重建板固位方式的BMM三维有限元模型,建立四种镂空方案简化修复体支架3—DFEM,采用垂直加载方式,分别计算并比较修复体支架的应力分布情况,优化修复体支架的镂空设计方案,分析并计算其整体结构、固位结构及其周围骨质的应力分布情况,优化固位方式选择;(3)采用9只健康小型猪,术前收集猪下颌骨的螺旋CT数据,采用快速原形技术重建出猪的下颌骨实体模型,并设计出一侧下颌骨体部5cm的缺损,应用CAD/CAM技术,形成与缺损部位完全吻合的BMM。通过手术建立与BMM形态大小完全吻合的缺损,然后将BMM植入并固定,镂空区植入自体松质骨。术后每月进行X线、CT及3—DCT检查,1.2.3.6月后处死动物,切取标本制备硬组织切片和正常组织切片,光镜观察。采用生物力学的方法,分析骨与假体结合处的结合强度。结果:(1)正常下颌骨的生物应力主要沿下颌骨内、外斜嵴以及下颌支下缘分布,分别构成牙力轨迹及肌力轨迹,两者之间为应力空白带,下颌皮质骨最大应力为105MPa,松质骨为12.9MPa。(2)修复体支架(未镂空方案)整体生物应力分布类似于正常下颌骨的生物应力分布特征;镂空孔径大小对修复体应力改变影响不明显:1mm镂空间距会造成明显应力集中,2—3mm镂空间距应力分布的区别变化不大,但横向孔间隔较纵向间隔应力集中。(3)双延仲肩台拉力螺钉固位方式BMM整体应力分布均匀合理,平均最大应力为223.775 MPa:固位结构应力呈等强度分布(F=1.42,P=0.2997＞0.05);下肩台周围骨组织所承受应力最大.但与正常松质骨最大应力间无统计学差异(T=0.0849,P=0.9377＞0.05)。(4)重建板固位方式的BMM整体应力分布均匀合理,平均最大应力为129.180 MPa;固位结构应力呈非等强度分布(F=2.87,P=0.0704＞0.05);固位结构周围骨组织的应力分布合理。(5)动物实验BMM修复后口腔粘膜未暴露者假体不同程度被骨痂覆盖,X—ray、CT、3D—CT及MICRO—CT骨密度检查显示术后6个月假体完全由新生骨覆盖、下颌骨连续性完整,固位良好,与骨结合处为骨性结合,生物力学测试与健侧无统计学差异。暴露者下颌骨下缘连续性尚可,固位欠佳,稳定性差,与骨结合处为纤维结缔组织。结论:(1)正常下颌骨的生物应力分布特点为BMM整体设计,即沿主应力带的主承力支架设计与沿应力空白带的镂空结构设计,提供了力学依据;主承力支架宽度设定为6mm,肌力覆着区为2mm,高度为20mm。(2)下颌骨修复支架的整体应力分布规律验证了BMM设计思路的合理性;根据对修复体镂空结构的优化设计结果,原则为以品字形镂空、横向间隔不少于3 mm、纵向问隔不少于2 mm。(3)双延伸肩台拉力螺钉固位方式BMM整体设计满足了整体强度上的要求;从体部缺损假体设计中也同时考察了应用拉力螺钉时不同截骨平而角度对骨一假体系统应力的影响,得出了切除角度越大,则系统的受力越均匀的结论;同时体部缺损假体的孔中植入松质骨后也可以达到骨细胞生长所需的应力水平;为提高假体与骨之间连接的稳定性,建议采用在假体上设计凸台。(4)重建板固位方式的BMM设计在整体强度上同样合理,甚至更优于双延伸肩台拉力螺钉固位方式BMM设计,但其固位结构易产生应力集中。(5)利用反求工程软件进行了实验用动物假体的设计和加工,实现了从CT图片—提取点云—构建曲线—光顺曲面—假体、模板设计—加工的全过程,为动物实验提供了可行的道路。反求结合快速成型技术可用于下颌骨体部缺损修复体的设计和制造,能够提高修复精度,节省手术时间,在下颌骨大型缺损的个体化修复中具有独特优势。