顎関節置換のための3Dプリント多孔性顆部プロテーゼ：設計と生体力学的解析

3D-printed porous condylar prosthesis for temporomandibular joint replacement: Design and biomechanical analysis.

抄録

背景:

カスタマイズされた人工関節置換術は、重度の顎関節障害において極めて重要な用途があり、多孔性チタン足場を併用することは、患者のリハビリテーションのための潜在的な方法である。

BACKGROUND: Customized prosthetic joint replacements have crucial applications in severe temporomandibular joint problems, and the combined use of porous titanium scaffold is a potential method to rehabilitate the patients.

目的:

本研究の目的は、下顎骨再建のために、良好な機能と審美的結果を有するチタン合金多孔質顆部補綴物を得るための設計法を開発することである。

OBJECTIVE: The objective of the study was to develop a design method to obtain a titanium alloy porous condylar prosthesis with good function and esthetic outcomes for mandibular reconstruction.

方法:

CBCTデータから3Dバーチャル下顎モデルを作成した。続いて、最初の下顎模型上で仮想顆路切除術を行い、顆路欠損模型を作成した。分割された顆部欠損モデルは、固定プレートを用いたソリッド顆部またはポーラス顆部によって再建された。多孔性顆頭は、不均一な四面体格子構造を持つ密度駆動型モデリングスキームによって作成した。多孔性顆、支持固定板、およびスクリューの位置は、トポロジー的に最適化された。Ti-6Al-4V合金製の多孔質人工顆 頭と固形人工顆頭の生体力学的挙動を比較した。有限要素解析（FEA）を用いて、両補綴物および残存下顎骨の最大応力分布を評価した。

METHODS: A 3D virtual mandibular model was created from CBCT data. A condylar defect model was subsequently created by virtual condylectomy on the initial mandibular model. The segmented condylar defect model was reconstructed by either solid or porous condyle with a fixation plate. The porous condyle was created by a density-driven modeling scheme with an inhomogeneous tetrahedral lattice structure. The porous condyle, supporting fixation plate, and screw locations were topologically optimized. Biomechanical behaviors of porous and solid condylar prostheses made of Ti-6Al-4V alloy were compared. Finite element analysis (FEA) was used to evaluate maximum stress distribution on both prostheses and the remaining mandibular ramus.

結果:

FEAの結果、最大応力のレベルは、LCI、LRM、LBM荷重条件において、ソリッドモデルと比較してポーラスモデルで6.6％、36.4％、47.8％減少した。また、トポロジー最適化処理により、多孔質人工関節は固形人工関節と比較して57.7％の軽量化を達成し、多孔質顆部の空隙体積は65％となった。

RESULTS: The FEA results showed levels of maximum stresses were 6.6%, 36.4% and 47.8% less for the porous model compared to the solid model for LCI, LRM, and LBM loading conditions. Compared to the solid prosthesis, the porous prosthesis had a weight reduction of 57.7% and the volume of porosity of the porous condyle was 65% after the topological optimization process.

結論:

本研究では、固定プレートを備えたカスタムメイドの多孔性人工顆部を設計した。3Dプリンターで作製したTi-6Al-4V多孔質人工顆部は、軽量化され、皮質骨に近い有効弾性率を有していた。その

CONCLUSIONS: A custom-made porous condylar prosthesis with fixation plate was designed in this study. The 3D printed Ti-6Al-4V porous condylar prosthesis had reduced weight and effective modulus of elasticity close to that of cortical bone. The.