正畸热压膜材料力学性能及矫治力测量的研究进展

正畸热压膜材料（orthodontic thermoplastics）是一种可重复加工和冷却，通过固-液相转变进而可以加工成各种形状的塑料，其开发和应用最早可以追溯到19世纪30年代的化工产业。近年来，得益于计算机三维辅助诊断设计技术（CAD-CAM）和热压膜成型技术的迅速发展，热压膜材料在口腔医学中的应用日渐广泛。除了用于制作正位器、保持器、牙周夹板及软垫之外，热压膜材料在正畸领域也用于制作无托槽隐形矫治器。

无托槽隐形矫治技术将热压膜材料经过热软化后压制（正/负压）成一系列透明的活动矫治器，并利用材料形变的回弹力矫治牙颌畸形。这其中具有代表性的技术有Invisalign、Clear Smile和Clear Aligner等，而国产无托槽隐形矫治系统于2004年开始在临床使用。与固定矫治器相比，隐形矫治器具有更美观、舒适、易清洁等特点，这也使越来越多的成人患者趋向于使用后者。然而在临床使用的过程中，隐形矫治实际效果与传统固定矫治技术相比仍有差距，隐形矫治大多数病例出现牙齿移动的滞后，有研究发现70%～80%的病例需要中途修正牙齿的移动方案、增加矫治步骤精细调整，甚至需要更换为固定矫治技术。因此，深入研究热压膜材料的力学性能特征，可以为临床选择合适材料，研发高性能新材料提供基础；而对材料形变产生矫治力值的测量，可以反映不同材料力学性能的差异，为临床提高矫治效能提供实验依据。

一、热压膜材料力学性能研究

在传统固定矫治技术中，弓丝的形变对槽沟产生相应的正畸力，并传递到牙齿产生移动，直到该正畸力衰减到引起牙齿移动的力量之下。在此过程中，弓丝的形变范围只要在其屈服应变之内，则产生的正畸力与形变量成固定比例关系（超弹镍钛丝除外），牙齿的移动可以得到较好的预测和控制。而隐形矫治中施加矫治力的是热压膜材料，他是一种有机高分子共聚物，同时具有粘性和弹性（即粘弹性），其应力-应变关系随时间、温度、负荷大小和加载速率等改变，极大地增加了研究其力学性能的难度。

学者们对于热压膜材料力学性能的研究已有大量成果，Ryokawa等在模拟口腔环境的条件下测试了不同处理方式、不同种类热压膜材料的力学性能，结果显示不同的材料具有不同的力学性能，热成形处理和人工唾液的浸泡对材料的力学性能有影响。Kwon等通过三点抗弯实验研究不同厚度材料的硬度和韧性，发现材料厚度越小储存的能量越多，更适合临床使用，且材料的力学性能在恒温水浴浸泡后增加，而在循环载荷或循环冷热后力学性能下降，维氏硬度（VHN）增加。

除了对试样进行单轴拉伸实验和三点弯曲实验外，纳米压痕技术测量材料的硬度和弹性模量方面具有明显的优势。通过压头加载于材料表面，得到其压入-载荷面积，从而获取材料的内在信息。由于纳米压痕技术是建立在压痕问题的弹性解之上的，所以当前的纳米压痕技术只能测量出有限的材料弹性性能，而塑性性能须结合其他方法测量。Kohda等利用纳米压痕技术对比了三种热压膜材料的性能，发现Erkodur性能较优异，且纳米压痕技术测得的力学指标与材料释放的矫治力呈较好的相关性。

二、热压膜材料矫治力测量的研究

除了基本力学性能，我们对热压膜材料的生物力学机制的研究也至关重要。Kassas等用ABO评分系统对119例接受Invisalign治疗的患者模型进行评估，认为隐形矫治对于轻中度的牙列不齐及牙齿倾斜移动矫治效果明显，但对于咬合关系的调整能力有限。对于材料在模拟临床使用中释放矫治力的研究，可以指导正畸医师合理设计牙齿移动。而隐形矫治中应力应变的测量是生物力学中的基本问题，测量方法主要有理论力学分析法和实验力学分析法。

理论力学分析即有限元法，其基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的单元，然后对单元进行力学分析，最后再整体分析。有限元法是一种集分割与整合为一体的高效分析方法，其相比于实验力学分析具有较高的可靠性。基于此，很多学者亦多采用此方法研究。彭立国等建立了包括牙槽骨、牙周膜和牙髓在内的上颌尖牙三维有限元模型及无托槽矫治模型，在此基础上分析无托槽矫治器作用下的矫治力和应力分布，并与固定矫治方法的结果进行比较。王凡等通过建立下颌双侧第一前磨牙拔除的三维有限元模型，模拟并比较了无托槽隐形矫治器与固定矫治器载荷作用下牙齿的应力变化，结果发现尖牙的旋转中心更接近根尖，根部元中面受力最为均匀，且应力分布更为合理。

测量隐形矫治力最常用的实验研究方法主要为应变电测法，这种方法将压电传感芯片置于待测牙面，在隐形矫治器戴入光固化树脂模型或患者口内时，矫治器发生形变产生应力作用于传感器，从而得到应力值及力矩，目前的研究仍多集中在口外测力。Hahn等将待测牙与传感测力系统连成整体，在树脂模型上倾斜及旋转移动待测牙时，测量不同种类隐形矫治器对上颌中切牙三维方向的应力和力矩，发现不同矫治器产生的应力随移位量增大均有增加，且在旋转移动时均会产生压入力。牙齿的解剖外形和材料成型过程不同（压力成型或真空热塑成型）对部分测量结果有影响。Simon等利用相似的系统，按照30例Invisalign患者的Clincheck方案复制出相同的一套矫治器并设计不同附件，测量了每副矫治器对牙齿在不同移动中的应力，发现Invisalign矫治力更柔和，更接近Proffit提出的最适矫治力值（0.35～0.60 N）。在一个矫治周期内矫治力呈指数衰减，且附件的应用对于扭转双尖牙，防止压低效果明显。近年来亦有学者用不同测量系统实现了口内测量矫治力，但实际口腔环境与体外大为不同，牙齿几何外形的复杂性、唾液环境和牙周组织对应力的缓冲等影响因素对实际测量结果产生很大影响。Barbagallo等在矫治器内面放置压力敏感的聚酯薄膜，Vardimon等则将传感器芯片置于Invisalign矫治器内，在患者口内测量两周内不同时间的矫治力，结果表明刚戴入时矫治力值最大，从第2天以后衰减明显，这与体外实验研究的结果一致。未来的研究势必将更多集中在如何在口内精确测量隐形矫治力，丰富临床试验研究，更深入地了解隐形矫治器的力学传递机制，指导临床应用，适应越来越多的患者。

三、隐形矫治力的相关影响因素

隐形矫治器产生的矫治力与诸多因素有关，热压膜材料的种类决定其力学性能，也是决定矫治力大小的根本因素。已往的研究结果显示不同种类的隐形矫治器在戴用时均有明显应力衰减，这与热压膜材料本身具有粘弹性有关。隐形矫治力的大小则与其他诸多因素，如膜片厚度、每步设计移位量及环境条件有关。

膜片的厚度是影响矫治力的一个重要因素。以往学者们对于厚度与力学性能的确切关系，尤其是经过热成型和唾液浸泡后其力学性能的变化规律已有研究。一般而言，同种材料在相同移位量下，膜片越厚，其形变后产生的矫治力越大。有学者利用传感器对比了同种材料、相同移位量下，不同厚度的隐形矫治器移动上颌中切牙时产生的矫治力，结果发现随着膜片厚度的增大，产生的矫治力也相应增大，且力值大小与厚度基本成正比。厚度为0.75～0.8 mm的矫治器产生的力更接近正畸力范畴。

隐形矫治每两周更换一副矫治器，而牙齿移动到新的位置都会设计每步的移位量。Invisalign每步设计移位量约为0.25～0.33 mm，Clear Smile则多为0.5 mm以上。当矫治器每步移位量从0.15 mm至0.5 mm变化过程中，矫治力随之增大。然而过小或过大的移位量均会影响治疗效果。这是因为每步移位量过小虽然可以增加戴用的舒适度，方便摘戴，但矫治力太小，很快衰减至启动牙槽骨改建的阈值以下，影响矫治效果；移位量过大虽可产生较大的矫治力，但也增加就位难度而影响矫治器与牙冠的贴合程度，甚至可能使矫治器发生不可逆性形变，同样会影响矫治效果。

热压膜材料在加工成型过程及临床使用时受到温度、水分、反复摘戴等环境改变的影响，力学性能和实际矫治力也必然会发生改变。加工成型的过程使材料厚度变薄，弹性增加。重复的温度变化对矫治器的力学性能影响较小，但重复的载荷（模拟口腔摘戴矫治器）可以使力学性能降低，且均使矫治器硬度增加。本课题组对比了室温大气环境和模拟口腔环境（37 ℃恒温水浴）下5种热压膜材料的应力松弛，结果材料模拟口腔环境下应力衰减显著快于其在室温大气中的应力衰减，而Erkodur在两种测试条件下的应力松弛率均显著慢于其他几种材料，更适宜制作隐形矫治器。矫治器在口腔内应力衰减的速率也非常快，通常应力在戴用第二天便可衰减至刚戴入时的67%，之后到换用下一副之前应力状态基本稳定。口腔湿度、温度等环境的变化可以使材料性能改变，如变脆变硬、平均分子量降低等，对隐形矫治力的影响很大。但环境变化对材料分子结构改变的确切影响机制仍有待研究。

综上所述，无托槽隐形矫治技术尽管在适应证、材料性能、治疗效果等方面还存在诸多不足之处，但随着研究的不断深入，矫治技术的完善和临床使用经验的积累，其将会为更多的正畸医生和患者所接受。

来源：中华口腔正畸学杂志2016年第23卷第1期