Loss of bone in the mandible as a result from for example resection of bone tumors or trauma, can in more complex cases be reconstructed using a reconstruction plate to provide stability between the remaining mandible stumps. Different studies on reconstruction plates present a fracture rate of 2.8-9.8 %. The rate of plate fracture and plate loosening increases the need to improve the design of the reconstruction plate. A useful tool to find new designs for structures is topology optimization. Topology optimization is a mathematical based method where it is possible to define an optimization problem for a specific load case. Based on the defined problem, the solver calculates the most appropriate design to reach the final goal. The aim of this work is to investigate, describe, and discuss how new designs for reconstruction plates used for bridging large mandibular defects can be achieved by using topology optimization as a tool.   Two software programs handling topology optimization from Altair Engineering were used: SimLab 14.0 and HyperMesh 14.0. Both of them uses the solver OptiStruct to solve the defined topology optimization problem. The topology optimization problem was defined to minimize the compliance of the structure with an upper limit of the allowed volume fraction used for the new design. Three different clenching tasks were examined: right unilateral clench, clenching in the intercuspal position, and incisal clench. All three load cases resulted in different designs, the designs were also affected by the initial amount of screws used, and by the defined value on the allowed thickness of the created parts in the new design. The results gave an initial understanding of topology optimization, and indicated the possibilities a design process with topology optimization has to achieve new designs for reconstruction plates used for large mandibular fractures.

Background: In a retrospective study, risk factors for complications after the bridging of mandibular defects using reconstruction plates were reviewed. Especially the loosening of the plate-screw-mandible complex should be analyzed with a finite element model in order to reduce plate complications in future. Patients and Methods: We examined 60 patients who underwent a treatment with reconstruction plates after tumor resection during a period of 10 years. The problem of screw loosening was additionally reviewed by means of a finite element study, and a model for the loosening process was developed. Results: Our postoperative examination showed that 26 patients suffered from complications that required an early removal of the plate. These complications were oral or extraoral plate exposures, the looseness of screws with or without plate displacement, and plate fractures. Thereby, we noticed that maxillary and mandibular areas of opposing teeth, the size of the mandible defect, and the crossing of the orofacial midline are all risk factors for plate complications. On the basis of the finite element model, a modified arrangement of the screws was derived. Hence, a new type of resection plate was established. Conclusions: By repositioning the screw holes along the long axis of the plate, the transition from tensile force to torque force of the screws in the screw-plate-bone complex can be minimized. Thereby, the complication of screw loosening will be considerably reduced. / Hintergrund: In einer retrospektiven Studie wurden Risikofaktoren für Komplikationen nach Überbrückung von Unterkieferdefekten mit Rekonstruktionsplatten geprüft. Insbesondere die Lockerungsvorgänge des Schrauben- Platten-Unterkiefer-Verbundes sollten mit einer Finite- Elemente-Modellierung analysiert werden, um in Zukunft eine Reduzierung der Plattenkomplikationen erreichen zu können. Patienten und Methoden: Es wurden 60 Patienten untersucht, welche im Zeitraum von 10 Jahren im Rahmen von Tumoroperationen mit Rekonstruktionsplatten versorgt wurden. Das Problem der Lockerung der Plattenschrauben wurde zusätzlich mittels einer Finite-Elemente-Studie überprüft und ein Modell für den Lockerungsvorgang erarbeitet. Ergebnisse: Die Nachuntersuchungen ergaben, dass bei 26 Patienten die Platte wegen Komplikationen vorzeitig entfernt werden musste. Die Komplikationen traten als orale und extraorale Plattenfreilage, als Schraubenlockerung ohne oder mit Plattendislokationen und als Plattenbrüche auf. Dabei konnte festgestellt werden, dass bestehende Stützzonen des körpereigenen Restgebisses, die Größe des Unterkieferdefektes und dessen Mittellinienüberschreitung Risikofaktoren für Plattenkomplikationen darstellen. Anhand der Finite-Elemente-Modellierung wurde eine veränderte Schraubenanordnung abgeleitet. Daraus resultiert eine neue Form der Resektionsplatte. Schlussfolgerungen: Durch die Verschiebung der Schraubenlöcher aus der Längsachse der Platte kann der Übergang von der Zugbelastung zur Drehmomentbelastung der Schrauben im Schrauben-Platten-Knochen-Verbund der Platte minimiert werden. Dadurch werden Schraubenlockerungen als Komplikationen wesentlich seltener auftreten. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Background: In a retrospective study, risk factors for complications after the bridging of mandibular defects using reconstruction plates were reviewed. Especially the loosening of the plate-screw-mandible complex should be analyzed with a finite element model in order to reduce plate complications in future. Patients and Methods: We examined 60 patients who underwent a treatment with reconstruction plates after tumor resection during a period of 10 years. The problem of screw loosening was additionally reviewed by means of a finite element study, and a model for the loosening process was developed. Results: Our postoperative examination showed that 26 patients suffered from complications that required an early removal of the plate. These complications were oral or extraoral plate exposures, the looseness of screws with or without plate displacement, and plate fractures. Thereby, we noticed that maxillary and mandibular areas of opposing teeth, the size of the mandible defect, and the crossing of the orofacial midline are all risk factors for plate complications. On the basis of the finite element model, a modified arrangement of the screws was derived. Hence, a new type of resection plate was established. Conclusions: By repositioning the screw holes along the long axis of the plate, the transition from tensile force to torque force of the screws in the screw-plate-bone complex can be minimized. Thereby, the complication of screw loosening will be considerably reduced. / Hintergrund: In einer retrospektiven Studie wurden Risikofaktoren für Komplikationen nach Überbrückung von Unterkieferdefekten mit Rekonstruktionsplatten geprüft. Insbesondere die Lockerungsvorgänge des Schrauben- Platten-Unterkiefer-Verbundes sollten mit einer Finite- Elemente-Modellierung analysiert werden, um in Zukunft eine Reduzierung der Plattenkomplikationen erreichen zu können. Patienten und Methoden: Es wurden 60 Patienten untersucht, welche im Zeitraum von 10 Jahren im Rahmen von Tumoroperationen mit Rekonstruktionsplatten versorgt wurden. Das Problem der Lockerung der Plattenschrauben wurde zusätzlich mittels einer Finite-Elemente-Studie überprüft und ein Modell für den Lockerungsvorgang erarbeitet. Ergebnisse: Die Nachuntersuchungen ergaben, dass bei 26 Patienten die Platte wegen Komplikationen vorzeitig entfernt werden musste. Die Komplikationen traten als orale und extraorale Plattenfreilage, als Schraubenlockerung ohne oder mit Plattendislokationen und als Plattenbrüche auf. Dabei konnte festgestellt werden, dass bestehende Stützzonen des körpereigenen Restgebisses, die Größe des Unterkieferdefektes und dessen Mittellinienüberschreitung Risikofaktoren für Plattenkomplikationen darstellen. Anhand der Finite-Elemente-Modellierung wurde eine veränderte Schraubenanordnung abgeleitet. Daraus resultiert eine neue Form der Resektionsplatte. Schlussfolgerungen: Durch die Verschiebung der Schraubenlöcher aus der Längsachse der Platte kann der Übergang von der Zugbelastung zur Drehmomentbelastung der Schrauben im Schrauben-Platten-Knochen-Verbund der Platte minimiert werden. Dadurch werden Schraubenlockerungen als Komplikationen wesentlich seltener auftreten. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

This thesis deals with the fixation of lower jaw with bone tissue defect using commercially produced fixator. Large defects of bone tissue are mainly caused due to the removal of bone tissue affected by tumor. These topics have been researched on the basis of the literature. Subsequently, stress strain analysis of the lower jaw with the applied fixation plate was performed. This analysis was solved by using computational modeling with variational approach, ie the finite element method. The work also describes in detail the procedure of creating model of geometry, model of material, model of boundary conditions and loads with subsequent solution of several computational models. The stress strain analysis was done for lower jaw with varying size of the removed bone tissue with applied reconstruction plate made of CP-Ti Grade 4 and for the lower jaw with the plate, which is made of -Ti-Mo. Finally, the influence of the mechanical properties of the callus during formation of new bone tissue (callus healing) on the stress and deformation of the solved system was evaluated.