Mandibular reconstruction represents a clinical challenge. One of the major complications is osseous non-union of the residual mandible and the donor bony segments (mostly fibula). In the last years, patient-specific titanium reconstruction plates are increasingly used since these pre-planned and anatomically customized plates simplify and shorten the surgery. However, the large reconstruction plates further increase the rates of osseous non-union. Therefore, alternative fixation strategies such as the use of smaller plates (for example miniplates) and alternative materials (for example magnesium) are of interest. The present study aimed to evaluate the biomechanical conditions of a one segmental mandible reconstruction with a fibula free flap under various fixation scenarios including patient-specific reconstruction plates, miniplates and combinations of both. Furtherly, the materials titanium and magnesium were investigated. As a methodology, a finite element analysis of a one segmental mandibular reconstruction was chosen to investigate the intersegmental strains as the main stimulus for bone healing and the maximum in-plate stresses as predictors for material failure. The results show higher strains under titanium reconstruction plate fixation in the posterior area in comparison to the anterior area and higher strains in the anterior area compared to the posterior area under titanium miniplate fixation. When combining a posterior short titanium reconstruction plate and anterior titanium miniplates, these effects could be partially combined. The use of magnesium locally increased the strains. The in-plate stresses were observed to be lower under reconstruction plate fixation compared to miniplates, larger in the posterior areas compared to the anterior areas and the relative stresses (ratio of maximum stress to yield stress) were found to be larger in magnesium plates compared to titanium plates. Furthermore, two plate-protective plate configurations were identified: • The use of a short posterior reconstruction plate reduced the stresses in the anterior plates compared to posterior miniplates • When two miniplates were paired in parallel, the titanium plate acted as load-bearing and, thus, plate-protective for the magnesium plate A previous study found a significantly better bone healing outcome in the posterior area than in the anterior area under reconstruction plate fixation, suspecting biomechanical reasons. In the present study, this observation could be correlated to the varying mechanical strains in the healing regions. Since miniplates and magnesium increase the anterior strains, the anterior application of these fixators could increase the rates of osseous union. To conclude, a combination of varying materials and patient-specific plate designs might be beneficial for bone healing. The anterior areas were identified as potential application areas for magnesium miniplates.
Die Unterkieferrekonstruktion ist eine klinische Herausforderung. Eine wichtige Komplikation ist die verzögerte knöcherne Vereinigung des Unterkiefers mit dem Knochentransplantat (v.a. Fibula). Um die Operation zu verkürzen und die Präzision zu erhöhen werden zunehmend patientenspezifische Titan-Rekonstruktionsplatten eingesetzt. Allerdings erhöhen die ausladenden Rekonstruktionsplatten die Pseudarthroseraten. Daher werden alternative Ansätze untersucht, wie der Einsatz kleinerer Platten (z. B. Miniplatten) und alternativer Materialien (z. B. Magnesium). Das Ziel der vorliegen Studie war, die Biomechanik einer einsegmentigen Unterkieferrekonstruktion mit freiem Fibulatransplantat unter verschiedenen Fixierungsszenarien zu evaluieren, einschließlich patientenspezifischer Rekonstruktionsplatten, Miniplatten und Kombinationen aus beiden. Außerdem wurden die Materialien Titan und Magnesium untersucht. Als Methodik wurde eine Finite-Elemente-Analyse einer einsegmentigen Unterkieferrekonstruktion gewählt, um die Segmentspaltdehnungen (primärer Stimulus der Knochenheilung) und die maximalen Plattenspannungen (Prädiktor für Materialversagen) zu untersuchen. Höhere Dehnungen wurden durch die Titan-Rekonstruktionsplatte im posterioren Bereich als im anterioren Bereich sowie im anterioren Bereich im Vergleich zum posterioren Bereich bei Titan-Miniplatten induziert. Durch die Kombination einer kurzen posterioren Titan-Rekonstruktionsplatte mit anterioren Titan-Miniplatten konnten diese Dehnungseffekte teilweise kombiniert werden. Der Einsatz von Magnesium erhöhte die lokalen Dehnungen. Die Spannungen in den Platten waren in Rekonstruktionsplatten niedriger als in Miniplatten und im posterioren Bereich größer als im anterioren Bereich. Die relativen Spannungen (Verhältnis von maximaler Spannung zur Fließgrenze) waren in Magnesiumplatten höher als in Titanplatten. Darüber hinaus wurden zwei plattenprotektive Konfigurationen identifiziert: • Eine kurze posteriore Rekonstruktionsplatte statt posterioren Miniplatten verringerte die Spannungen in den anterioren Platten. • Bei Parallelschaltung von zwei Miniplatten wirkte die Titanplatte als lasttragende und damit protektive Platte gegenüber der Magnesiumplatte. Eine frühere Studie zeigte ein signifikant besseres Knochenheilungsergebnis im posterioren Bereich als im anterioren Bereich unter Verwendung von Titan-Rekonstruktionsplatten und vermutete biomechanische Ursachen. In der vorliegenden Studie konnte diese Beobachtung mit den variierenden mechanischen Dehnungen in den Segmentspalten korreliert werden. Da Miniplatten und Magnesium die anterioren Dehnungen erhöhen, könnte deren Anwendung in der anterioren Region die Verknöcherungswahrscheinlichkeit erhöhen. Zusammenfassend könnte die Kombination verschiedener Materialien und Plattendesigns die Knochenheilung fördern. Die anterioren Bereiche wurden als potenzieller Anwendungsort für Magnesiumplatten identifiziert.
