作者：馬雁崧 白玉興 首都醫科大學附屬北京口腔醫院
正畸熱壓膜材料（orthodontic thermoplastics）是一種可重複加工和冷卻，通過固-液相轉變進而可以加工成各種形狀的塑料，其開發和應用最早可以追溯到19世紀30年代的化工產業。近年來，得益於計算機三維輔助診斷設計技術（CAD-CAM）和熱壓膜成型技術的迅速發展，熱壓膜材料在口腔醫學中的應用日漸廣泛。除了用於製作正位器、保持器、牙周夾板及軟墊之外，熱壓膜材料在正畸領域也用於製作無託槽隱形矯治器。
無託槽隱形矯治技術將熱壓膜材料經過熱軟化後壓制（正/負壓）成一系列透明的活動矯治器，並利用材料形變的回彈力矯治牙頜畸形。這其中具有代表性的技術有Invisalign、Clear Smile和Clear Aligner等，而國產無託槽隱形矯治系統於2004年開始在臨床使用。與固定矯治器相比，隱形矯治器具有更美觀、舒適、易清潔等特點，這也使越來越多的成人患者趨向於使用後者。然而在臨床使用的過程中，隱形矯治實際效果與傳統固定矯治技術相比仍有差距，隱形矯治大多數病例出現牙齒移動的滯後，有研究發現70%～80%的病例需要中途修正牙齒的移動方案、增加矯治步驟精細調整，甚至需要更換為固定矯治技術。因此，深入研究熱壓膜材料的力學性能特徵，可以為臨床選擇合適材料，研發高性能新材料提供基礎；而對材料形變產生矯治力值的測量，可以反映不同材料力學性能的差異，為臨床提高矯治效能提供實驗依據。
一、熱壓膜材料力學性能研究
在傳統固定矯治技術中，弓絲的形變對槽溝產生相應的正畸力，並傳遞到牙齒產生移動，直到該正畸力衰減到引起牙齒移動的力量之下。在此過程中，弓絲的形變範圍只要在其屈服應變之內，則產生的正畸力與形變量成固定比例關係（超彈鎳鈦絲除外），牙齒的移動可以得到較好的預測和控制。而隱形矯治中施加矯治力的是熱壓膜材料，他是一種有機高分子共聚物，同時具有粘性和彈性（即粘彈性），其應力-應變關係隨時間、溫度、負荷大小和加載速率等改變，極大地增加了研究其力學性能的難度。
學者們對於熱壓膜材料力學性能的研究已有大量成果，Ryokawa等在模擬口腔環境的條件下測試了不同處理方式、不同種類熱壓膜材料的力學性能，結果顯示不同的材料具有不同的力學性能，熱成形處理和人工唾液的浸泡對材料的力學性能有影響。Kwon等通過三點抗彎實驗研究不同厚度材料的硬度和韌性，發現材料厚度越小儲存的能量越多，更適合臨床使用，且材料的力學性能在恆溫水浴浸泡後增加，而在循環載荷或循環冷熱後力學性能下降，維氏硬度（VHN）增加。
除了對試樣進行單軸拉伸實驗和三點彎曲實驗外，納米壓痕技術測量材料的硬度和彈性模量方面具有明顯的優勢。通過壓頭加載於材料表面，得到其壓入-載荷面積，從而獲取材料的內在信息。由於納米壓痕技術是建立在壓痕問題的彈性解之上的，所以當前的納米壓痕技術只能測量出有限的材料彈性性能，而塑性性能須結合其他方法測量。Kohda等利用納米壓痕技術對比了三種熱壓膜材料的性能，發現Erkodur性能較優異，且納米壓痕技術測得的力學指標與材料釋放的矯治力呈較好的相關性。
二、熱壓膜材料矯治力測量的研究
除了基本力學性能，我們對熱壓膜材料的生物力學機制的研究也至關重要。Kassas等用ABO評分系統對119例接受Invisalign治療的患者模型進行評估，認為隱形矯治對於輕中度的牙列不齊及牙齒傾斜移動矯治效果明顯，但對於咬合關係的調整能力有限。對於材料在模擬臨床使用中釋放矯治力的研究，可以指導正畸醫師合理設計牙齒移動。而隱形矯治中應力應變的測量是生物力學中的基本問題，測量方法主要有理論力學分析法和實驗力學分析法。
理論力學分析即有限元法，其基本思想是先將研究對象的連續求解區域離散為一組有限且按一定方式相互聯結在一起的單元組合體。由於單元能按不同的聯結方式進行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬成不同幾何形狀的單元，然後對單元進行力學分析，最後再整體分析。有限元法是一種集分割與整合為一體的高效分析方法，其相比於實驗力學分析具有較高的可靠性。基於此，很多學者亦多採用此方法研究。彭立國等建立了包括牙槽骨、牙周膜和牙髓在內的上頜尖牙三維有限元模型及無託槽矯治模型，在此基礎上分析無託槽矯治器作用下的矯治力和應力分布，並與固定矯治方法的結果進行比較。王凡等通過建立下頜雙側第一前磨牙拔除的三維有限元模型，模擬並比較了無託槽隱形矯治器與固定矯治器載荷作用下牙齒的應力變化，結果發現尖牙的旋轉中心更接近根尖，根部元中面受力最為均勻，且應力分布更為合理。
測量隱形矯治力最常用的實驗研究方法主要為應變電測法，這種方法將壓電傳感晶片置於待測牙面，在隱形矯治器戴入光固化樹脂模型或患者口內時，矯治器發生形變產生應力作用於傳感器，從而得到應力值及力矩，目前的研究仍多集中在口外測力。Hahn等將待測牙與傳感測力系統連成整體，在樹脂模型上傾斜及旋轉移動待測牙時，測量不同種類隱形矯治器對上頜中切牙三維方向的應力和力矩，發現不同矯治器產生的應力隨移位量增大均有增加，且在旋轉移動時均會產生壓入力。牙齒的解剖外形和材料成型過程不同（壓力成型或真空熱塑成型）對部分測量結果有影響。Simon等利用相似的系統，按照30例Invisalign患者的Clincheck方案複製出相同的一套矯治器並設計不同附件，測量了每副矯治器對牙齒在不同移動中的應力，發現Invisalign矯治力更柔和，更接近Proffit提出的最適矯治力值（0.35～0.60 N）。在一個矯治周期內矯治力呈指數衰減，且附件的應用對於扭轉雙尖牙，防止壓低效果明顯。近年來亦有學者用不同測量系統實現了口內測量矯治力，但實際口腔環境與體外大為不同，牙齒幾何外形的複雜性、唾液環境和牙周組織對應力的緩衝等影響因素對實際測量結果產生很大影響。Barbagallo等在矯治器內面放置壓力敏感的聚酯薄膜，Vardimon等則將傳感器晶片置於Invisalign矯治器內，在患者口內測量兩周內不同時間的矯治力，結果表明剛戴入時矯治力值最大，從第2天以後衰減明顯，這與體外實驗研究的結果一致。未來的研究勢必將更多集中在如何在口內精確測量隱形矯治力，豐富臨床試驗研究，更深入地了解隱形矯治器的力學傳遞機制，指導臨床應用，適應越來越多的患者。
三、隱形矯治力的相關影響因素
隱形矯治器產生的矯治力與諸多因素有關，熱壓膜材料的種類決定其力學性能，也是決定矯治力大小的根本因素。已往的研究結果顯示不同種類的隱形矯治器在戴用時均有明顯應力衰減，這與熱壓膜材料本身具有粘彈性有關。隱形矯治力的大小則與其他諸多因素，如膜片厚度、每步設計移位量及環境條件有關。
膜片的厚度是影響矯治力的一個重要因素。以往學者們對於厚度與力學性能的確切關係，尤其是經過熱成型和唾液浸泡後其力學性能的變化規律已有研究。一般而言，同種材料在相同移位量下，膜片越厚，其形變後產生的矯治力越大。有學者利用傳感器對比了同種材料、相同移位量下，不同厚度的隱形矯治器移動上頜中切牙時產生的矯治力，結果發現隨著膜片厚度的增大，產生的矯治力也相應增大，且力值大小與厚度基本成正比。厚度為0.75～0.8 mm的矯治器產生的力更接近正畸力範疇。
隱形矯治每兩周更換一副矯治器，而牙齒移動到新的位置都會設計每步的移位量。Invisalign每步設計移位量約為0.25～0.33 mm，Clear Smile則多為0.5 mm以上。當矯治器每步移位量從0.15 mm至0.5 mm變化過程中，矯治力隨之增大。然而過小或過大的移位量均會影響治療效果。這是因為每步移位量過小雖然可以增加戴用的舒適度，方便摘戴，但矯治力太小，很快衰減至啟動牙槽骨改建的閾值以下，影響矯治效果；移位量過大雖可產生較大的矯治力，但也增加就位難度而影響矯治器與牙冠的貼合程度，甚至可能使矯治器發生不可逆性形變，同樣會影響矯治效果。
熱壓膜材料在加工成型過程及臨床使用時受到溫度、水分、反覆摘戴等環境改變的影響，力學性能和實際矯治力也必然會發生改變。加工成型的過程使材料厚度變薄，彈性增加。重複的溫度變化對矯治器的力學性能影響較小，但重複的載荷（模擬口腔摘戴矯治器）可以使力學性能降低，且均使矯治器硬度增加。本課題組對比了室溫大氣環境和模擬口腔環境（37 ℃恆溫水浴）下5種熱壓膜材料的應力鬆弛，結果材料模擬口腔環境下應力衰減顯著快於其在室溫大氣中的應力衰減，而Erkodur在兩種測試條件下的應力鬆弛率均顯著慢於其他幾種材料，更適宜製作隱形矯治器。矯治器在口腔內應力衰減的速率也非常快，通常應力在戴用第二天便可衰減至剛戴入時的67%，之後到換用下一副之前應力狀態基本穩定。口腔溼度、溫度等環境的變化可以使材料性能改變，如變脆變硬、平均分子量降低等，對隱形矯治力的影響很大。但環境變化對材料分子結構改變的確切影響機制仍有待研究。
綜上所述，無託槽隱形矯治技術儘管在適應證、材料性能、治療效果等方面還存在諸多不足之處，但隨著研究的不斷深入，矯治技術的完善和臨床使用經驗的積累，其將會為更多的正畸醫生和患者所接受。
來源：中華口腔正畸學雜誌2016年第23卷第1期
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