以二維有限元素模型之疊代運算法分析
立即受力式牙科植體骨整合之
力學生物學進程

臨床研究指出，當一植體於癒合過程中，承受過大的咬合力，會造成過度受力，無法產生骨整合或進一步癒合，而於1999年，學者克拉斯及Heigele研究卻指出，雖然過大的受力會造成植體應力集中，應變量超過5％的微應變以及靜水壓超過0.15 MPa時，骨骼便無法癒合，但給予適當的形變及靜水壓會是促成生長癒合的因素之一。在本篇研究中，我們使用二維有限元素方法來模擬植體受力的情形，探討在正常咬合力下，植體與周圍骨骼癒合生長的過程。研究中使用的是正常無骨骼缺損的下顎骨模型，並植入具有螺紋且長度適中的植體。模擬中使用的骨質密度為正常無骨質疏鬆的顎骨密度，經過軟體調整網格化後，設定邊界條件以及施力大小及方向後進行運算，藉由運算結果，輸出成形變量以及靜水壓色層分佈圖形，根據1997年加斯特學者模擬長骨癒合的過程，藉由循環改變材料性質，模擬反覆生長的過程，可以推演組織從肉芽組織逐漸成熟為骨組織的過程。研究結果顯示，在正常方向與適度的咬合力下，植體與骨骼的交界面會產生低於3500微形變量（微秒）及高於2500微形變量之變形，而產生材料性質改變，此為骨骼癒合生長的條件。同樣的，在垂直側向力的組別中，形變量的劇烈增加遠比正常垂直力組別來的大，過大的形變量與靜水壓都顯示側向力並非植體癒合的主要原因。而當給予適當的咬合垂直力，經過數十次材料性質的轉換循環，可以生長成熟至癒合完成。根據模擬研究的結果，我們可以推論在植體與骨骼癒合的初期，骨整合的成功與否，與所承受的垂直力大小與方向有關，在微形變量小於正負5 ％，以及靜水壓小於0.15兆帕時，骨骼可以產生良好的癒合。而這樣的模擬研究也可以幫助於理解在機械受力下骨骼組織產生的物理變化，以及預估複雜的組織分化，可為臨床上提供參考資料，減少植體骨整合失敗或是過度受力的情況。

關鍵字

植體；有限元素分析；應變；靜水壓；骨整合

並列摘要

臨床研究顯示，當一種植體癒合過程中，太多的咬合力導致超載，因此無法實現進一步的骨結合，為了使骨骼癒合。此外，在1999年，研究學者，克拉斯和Heigele表示，除了種植應力集中造成的咬合力量太大，變形和靜水壓力也可以干擾骨癒合。當變形超過 5 ％，顯微和靜水壓力超過0.15MPa ，這可能會導致骨質流失，這導致種植失敗。在這項研究中，我們使用有限元法來模擬加載的種植體周圍情況，調查周圍的骨骼生長和骨折癒合過程相對於正常的咬合力。在這項研究中，一個正常的下顎骨模型使用。該模型包括骨礦物密度正常無骨缺損，並沒有骨質疏鬆症。一個中等長度螺紋種植體被用於更好的結果。該軟件 ANSYS用於調整嚙合，設置邊界條件和支配的數量和方向，該部隊的每個週期。從這個結果，我們制定靜水壓力和微觀的變數，顯示彩色圖像。從圖中，我們評估的變化發生在種植體與骨界面，導致骨骼生長。結果表明，適當數額的咬力在垂直方向上，將產生不少於3500顯微（微秒）變形的骨植入物界面從而導致材料性能的變化。據加斯特在1997年，模擬長骨癒合過程中，他們發現，只有不到3500顯微（微秒）的變形是一個跡象，骨癒合。多次改變材料特性來模擬骨癒合過程中，我們可以推斷，從組織的肉芽組織成熟的骨組織。在另一組，在那裡咬合力是太高，微觀和靜水壓力過高，導致貧困骨癒合過程。在群組採用側向力，有一個很大的增加，變形比較正常組。太多增加微觀和靜水壓力導致了失敗的骨骼生長和癒合。該集團在其中垂直咬合負荷為正常應用，通過幾個轉換週期的材料特性，骨成長和成熟正常。根據模擬結果的研究中，我們可以推導出成功或失敗的植體與骨癒合早期階段的骨結合。當垂直力引起微應力範圍內的正負5 ％和靜水壓力小於0.15MPa ，有質量的骨癒合。最後，本模擬研究有助於理解如何在不同的骨組織反應機械力。這項研究還有助於估計的複雜組織分化。有限元分析法在這項研究中，顯示出骨骼的生長趨勢。這可為臨床提供參考改善種植體骨結合，從而避免由於過度種植失敗加載。