什麼是應力遮蔽

比骨硬得多的植入物承受大部分荷重，周圍骨所受的力學刺激減少，使骨被吸收而變薄的現象。

日文名稱: 応力遮蔽

「應力遮蔽」出現在1領域的5道練習題中（生醫材料等）。

這個名詞所屬的領域: 生醫材料

應力遮蔽發生的機制

骨與植入物連接而一起承受荷重時，兩者的應變幾乎相同，因此應力依楊氏模數的比例分擔。皮質骨的楊氏模數約為10〜30 GPa，而不鏽鋼約為200 GPa、Co-Cr合金約為210 GPa、Ti-6Al-4V約為110 GPa。楊氏模數高的金屬承受大部分荷重時，周圍骨所受的應力比原本小。對骨而言荷重被遮蔽了，因此這個現象稱為應力遮蔽。在人工髖關節的股骨柄，以及固定骨折的骨板上會成為問題。

骨變薄的原因

骨會依所受的力學刺激改變生成與吸收的平衡，常使用的部分變粗，不使用的部分變細（Wolff定律）。在應力遮蔽使刺激減少的部分，吸收超過生成，骨密度下降而骨變薄。結果植入物與骨之間產生鬆脫，或在取出植入物後容易骨折。長期臥病或在無重力環境中骨變弱，也是相同的機制。在人工髖關節中，據說股骨上端附近的骨量減少往往最明顯。

減少應力遮蔽的方法

基本對策是使植入物的剛性接近骨。在材料方面，開發了楊氏模數約55〜80 GPa的β型鈦合金，以及設置氣孔降低楊氏模數的多孔金屬。具有開放氣孔之多孔體的楊氏模數，大約與相對密度的2次方成正比下降，骨長入氣孔中也能加強固定。在形狀方面，則把股骨柄做得細而短，或設計成在接近骨的位置傳遞荷重。不過剛性降得太低會有植入物變形與疲勞破壞的危險，因此要與強度取得平衡來決定。

練習應力遮蔽的題目

人工髖關節的股骨柄使用楊氏模數遠高於骨的金屬時，會產生應力遮蔽的問題。下列說明何者正確？

A荷重的大部分由骨承受，因此骨受到過大的應力而容易骨折
B荷重的大部分由植體承受，周圍骨所受的應力減少，因此骨被吸收而變薄
C植體表面的鈍化膜因應力而破壞，金屬離子的溶出增加

查看答案與解析

正確答案：B. 荷重的大部分由植體承受，周圍骨所受的應力減少，因此骨被吸收而變薄

骨與植體一起承受荷重時，兩者的應變幾乎相同，因此楊氏模數較大的一方承受大部分的應力。皮質骨的楊氏模數約為10〜30 GPa，而Co-Cr合金約為210 GPa、Ti-6Al-4V約為110 GPa，遠大於骨，因此骨所受的應力比原本小。骨會依所受的力學刺激改變生成與吸收的平衡（Wolff定律），所以在刺激減少的部分骨會被吸收而變薄，成為植體鬆脫與周圍骨折的原因。骨受到過大的應力是相反的情況。鈍化膜受損造成的金屬離子溶出，則是微動腐蝕等另外的問題。

常見問題

想降低楊氏模數的話，用高分子做植入物不就好了？

高分子的楊氏模數常比骨低太多，或在強度、潛變、疲勞方面無法承受荷重，單獨使用不適合支撐大荷重的部位。像碳纖維強化PEEK這類使楊氏模數接近骨的複合材料，被用於脊椎固定器材等。

應力遮蔽是使骨變強的變化嗎？

不是，正好相反。植入物代為承受荷重，對骨的刺激減少，骨被吸收而變弱。這與骨受到過大應力而破壞是相反的問題。

如何調查應力遮蔽？

在臨床上，以X光影像與骨密度量測，追蹤植入物周圍骨量的變化。在設計階段，以有限元素法計算骨與植入物的應力分布，與沒有植入物時比較，評估骨的應力下降多少。

解析中的「應力遮蔽」

此外，即使不含有毒元素，若因太硬而造成應力遮蔽、磨耗碎屑引起發炎，或接觸血液而形成血栓，就不適合該用途。
關於生醫材料的生物相容性，下列觀念何者正確？
原本只由骨承受的荷重，約85%改由植體代為承受，因此對骨的刺激大幅減少，發生應力遮蔽。
皮質骨（楊氏模數20 GPa）與截面積相同的Ti-6Al-4V（楊氏模數110 GPa）的棒平行接合，沿長度方向一起承…
β型合金的楊氏模數約為55〜80 GPa，低於α+β型的Ti-6Al-4V（約110 GPa），較接近骨（約10〜30 GPa），因此可減少應力遮蔽。
像Ti-Nb-Ta-Zr系這類β型鈦合金，被開發用於固定骨的植入物，其主要原因為下列何者？
開放氣孔也能成為骨長入內部的支架，因此多孔金屬是減少應力遮蔽的1種方法。
以Gibson-Ashby公式 E* = Es(ρ*/ρs)² 估計具有開放氣孔之多孔鈦的楊氏模數。設緻密鈦的楊氏模數…