题目：口腔生物力学骨功能适应性的模拟研究

所谓骨功能适应性是指骨组织能够根据外部力学载荷调节其内部组织形态、矿物质含量和材料特性的生物过程。在此过程中，通常认为机械力学载荷能够在骨组织的生长、发育、适应和维持过程中影响骨骼细胞的响应。为了达到功能适应性的目的，骨组织通过骨吸收和骨生成两个过程完成骨重建。本论文中，基于有限元模型发展了多种骨重建调控算法，开展了口腔生物力学中关于骨功能适应性课题的研究。

论文第一部分，研究了口腔种植系统周围的骨重建过程，我们利用二维模型模拟预测了四种不同口腔种植体周围松质骨骨小梁结构形态的演变过程。此骨重建算法中结合了力学适应调节和微观损伤修复两种调控机制。在模拟结果中，可以观察到种植体周围有序的梯状骨小梁结构形态分布，与动物实验和临床观察的结果相符。研究结果表明，本计算方法可以有效的用来研究种植体周围松质骨骨小梁的结构形态分布，从而有助于对临床长期效果的进行评估和预测。

论文第二部分研究对比了固定局部义齿中悬臂梁结构对种植体周围骨质的生物力学作用和可能的长期影响。此骨重建算法中基于应变能密度的适应性法则，同时包含了过载骨吸收机制。通过观察牙槽骨骨表观密度的变化，定量/定性对比正常生理载荷和病理过载情况下悬臂梁和非悬臂梁模型中不同的骨组织响应情况。结果表明，在过载情况下，悬臂梁模型中的种植体颈部周围皮质骨会发生较严重的骨丢失现象，而非悬臂梁结构模型中的骨密度分布更为均质，更有利于种植体的长期稳定。

论文第三部分，通过建立上颌骨局部三维有限元模型和多颗种植体支持固定局部义齿模型，对比分析了口腔种植手术前后，天然牙和种植体周围骨质的不同生物力学响应。为了考量骨组织在不同方向上力学性质的差异，发展了三维各向异性骨重建算法。通过与临床X线影像对比，验证了模拟结果中的骨密度分布情况，从中可以观察到天然牙和种植体周围不同骨密度分布的显著差异。与种植体相比较，天然牙周围的骨密度分布更为均匀致密。鉴于牙周组织在生物力学响应中发挥的重要作用，本文认为在未来的口腔种植体设计中应该考量如何建立类牙周膜作用的新型种植体系统。

论文第四部分研究了口腔种植体倾斜角度对种植体周围骨密度的影响。我们在上颌骨前牙区唇舌向平面内，将种植体以五种不同的倾斜角度放置。利用基于有限元法的骨重建模拟技术，计算出五种模型中种植体周围不同的骨密度分布情况。结果表明，在上颌前牙区，种植体应适当向舌侧倾斜，以利于传导力学载荷，减少种植体颈部的骨丢失，优化种植体临床效果。

论文最后一部分工作模拟了口腔正畸过程中牙齿的移动过程，研究了正畸载荷对牙齿周围骨密度分布的影响。模拟中我们提出了外部骨重建和内部骨重建相结合的牙齿正畸移动算法，结合有限元模型，分析模拟了四种不同典型正畸载荷作用下牙齿的移动及周围骨密度分布情况。结果表明，口腔正畸手术不仅能够矫正牙齿位置而且能够诱发牙周骨组织响应；不同类型的正畸载荷不但能导致不同的牙齿移动速率和方向，而且能够影响不同的牙周骨密度分布。通过与临床数据对比，验证了本模拟算法的有效性。

通过对口腔种植和口腔正畸中骨重建过程的模拟研究，表明本文中所建立的力学调控模型可以用于帮助临床医生进行术前评估手术效果和长期预测，有助于生物医学工程师优化口腔种植体设计并延长其使用寿命。