第二章 材料與方法
2.3 實驗階段一：人工仿骨-前導實驗
這是在做人體試樣前的前導實驗，材料是從美國Sawbones公司所訂購(圖 2.5)36，這種仿骨的力學測試材料因穩定性與重複性高，已經廣泛運用在椎弓根螺 釘 測 試 實 驗 中16,22。 本 研 究 所 選 用 的 是 材 料 密 度 為 0.16 g/cm3的 Solid Rigid Polyurethane Foam(型號：#1522-01)，其結構是模擬椎骨內的海綿骨。Brantly(1994)5 等人定義當骨質密度低於 0.14 g/cm3為骨質疏鬆症患者，因此實驗中使用的材料密 度為模擬骨質下降的椎骨。
圖 2.5 人工仿骨-Sawbones (尺寸：13cm x 18cm x 4cm)
2.3.1 試樣準備
在仿骨準備上，先用線鋸機將其分割成 9 個尺寸相等的方塊(4cm x 4cm x 6cm)，以直徑 3mm 的鑽頭在每個方塊中心製造一個深度 35mm 的預鑽孔(圖 2.6a)，
再將椎弓根螺釘用手動的方式，以穩定的力量垂直將椎弓根螺釘旋入預鑽孔內，
直到螺牙部分完全旋入，深度為 40mm(圖 2.6b)。
(a) (b) 圖 2.6 仿骨試樣準備流程
2.3.2 椎弓根螺釘
本研究所使用的椎弓根螺釘屬於錐形螺釘，是由 Dynesys 公司所研發的動態 穩定系統專用螺釘[Protasul-100 Titanium alloy Ti6A17Nb (Synthes GmbH, Solothurn, Switzerland)](圖 2.7)，螺牙部分深度為 40mm，直徑為 6mm。
圖 2.7 本研究所使用之椎弓根螺釘
2.3.3 實驗流程
本階段依實驗目的可分成三個組別(表 2.1)，在每個組別裡，會進行「剛性測 試」、「衝擊測試」和「拉出強度測試」三種測試方法，來觀察椎弓根螺釘在仿骨 內受疲勞負載前後咬合強度的反應(詳細原理見 2.1 節)。三個組別分別的詳細流程 如下(圖 2.8)：
組別 1. 試樣準備後(見 2.3.1 節)，將仿骨固定在油壓測試機平台上，接著對仿骨裡 的椎弓根螺釘進行剛性和衝擊兩種非破壞性的測試，測量椎弓根螺釘在完 整試樣內的力學反應，接著進行椎弓根螺釘拉出測試。
組別 2. 在進行剛性和衝擊測試後，利用油壓測試機台對椎弓根螺釘施加力量 20-200 牛頓、頻率 5Hz 正弦波的疲勞負載，直到仿骨和椎弓根螺釘交界 面的間隙達到 1mm，接著再執行一次剛性和衝擊測試，測量椎弓根螺釘 在仿骨內經疲勞負載後的力學反應，最後才進行拉出測試。
組別 3. 流程如組別 2，不同的是仿骨和椎弓根螺釘交界面的間隙要破壞至 2mm。
表 2.1 人工仿骨實驗組別
圖 2.8 人工仿骨實驗流程
當椎弓根螺釘和仿骨間進行疲勞負載破壞時，利用油壓測試機台上的電位感 測器和力量感測器，每 250cycle 擷取一次 2 秒的訊號，當每次擷取力量到達最小 值 20 牛頓時，對應到的位置差，即定義為椎弓根螺釘和仿骨間間隙(Gap of screw-bone interface)的產生。由圖 2.9 可發現，椎弓根螺釘和仿骨的間隙隨負載次 數的增加越來越大。
Gap of screw
Gap of screw--bone interfacebone interface
圖 2.9 疲勞負載時電位感測器(potentiometer)和力量感測器(laod cell)訊號示意圖
在「剛性測試」、「衝擊測試」、「椎弓根螺釘拉出測試」三種測試方法的設定 上： 「剛性測試」會利用油壓測試機台，機台設定力量範圍為 20-200 牛頓，頻率 為 1Hz，並以圓柱狀鋼棒(rod)將力量傳遞至椎弓根螺釘(圖 2.8)，進行單次循環的 測量，力量感測器和電位感測器擷取頻率為 100Hz。「衝擊測試」則會利用衝擊平 台 來 進 行 ， 在 欲 衝 擊 的 椎 弓 根 螺 釘 上 會 放 置 一 顆 加 速 度 計 (accelerometer, PCB353-B17)(圖 2.8, 圖 2.10)，測量椎弓根螺釘在受衝擊時加速度(擺盪頻率)的變 化，加速度計擷取頻率為 20,000Hz，衝擊力量為 50 牛頓。「椎弓根螺釘拉出測試」， 以兩片鋁板固定仿骨，椎弓根螺釘上方穿過一根直徑 4mm 圓柱鋼棒(rod)，再以夾 具固定鋼棒，夾具上方連接油壓測試機台，機台設定速率為 5mm/min 向上(參考 ASTM F1691-96)，直到椎弓根螺釘從仿骨內完全拉出(圖 2.8)。
圖 2.10 加速度計(PCB353-B17)