模擬口腔環境下溫控型鎳鈦弓絲力學性能的實驗研究

[摘要] 目的 研究溫控型鎳鈦弓絲在不同溫度人工唾液環境下的力學性能變化，為臨床合理、有效地使用溫控型鎳鈦弓絲提供參考。方法 利用Instron萬能材料力學實驗機在25、33、37、60 ℃人工唾液中對4種溫控型鎳鈦弓絲進行改良部分牙弓托槽彎曲實驗。將4種溫控型鎳鈦弓絲加載撓曲至3 mm后卸載，繪制弓絲卸載的載荷—撓曲曲線，計算卸載至2.5 mm與0.5 mm之間的卸載剛度，結果采用單因素方差分析法進行統計分析。結果 隨著溫度的升高，4種弓絲的卸載力值均有不同程度的升高；同種弓絲的卸載剛度在25、33、37 ℃時十分接近，而在60 ℃時卸載剛度均有明顯增大。結論 在本實驗條件下，4種溫控型鎳鈦弓絲表現出不同的力學性能，但均表現出臨床所需的超彈性與形狀記憶效應，也均表現出明顯的溫度敏感性。

[關鍵詞] 溫控型鎳鈦弓絲； 力學性能； 溫度； 人工唾液

[中圖分類號] R 783.5 [文獻標志碼] A [doi] 10.3969/j.issn.1000-1182.2012.02.026

Mechanical properties of thermodynamic nickel-titanium archwires in a simulated oral environment in vitro Fan Xusheng1， Li Zhihua2， Shi Hui2， Liu Xiang2. （1. Dept. of Stomatology， Hangzhou First People’s Hospital， Hang-zhou 310006， China; 2. Dept. of Orthodontics， The Affiliated Stomatology Hospital of Nanchang University， Nanchang 330006， China）

[Abstract] Objective This study was to investigate the mechanical properties of thermodynamic nickel-titanium（NiTi） archwires of different brands under controlled temperature and in artificial saliva to provide some reference for its clinical application. Methods Using a modified partial dental arch bending system， four types of thermodynamic NiTi archwires were tested under controlled temperature（25， 33， 37， 60 ℃） and in artificial saliva. An Instron Universal Testing Machine was used to apply 3 mm deflections of archwires in the lateral incisor area. The load-deflection cur-ves were determined from the passive position to deflections of 3 mm. The following variables from unloading curves were calculated： Stiffness between 2.5 mm UDP（unloading deflection point） to 0.5 mm UDP after unloading. Any statis-tically significant differences in these variables for the different brands， temperature and moments levels were analyzed using one-way analysis of variance. Results Unloading values of four types thermodynamic nickel-titanium archwires increased with controlled temperature rising. The unloading stiffness of the same brand archwires were approximate at 25， 33， 37 ℃， while their unloading stiffness increased obviously at 60 ℃. Conclusion Different brands thermodyna-mic NiTi archwires demonstrated different mechanical behaviours， but all of them exhibited super elasticity and prac-tical shape memory effect. The four thermodynamic NiTi archwires displayed temperature sensitivity at the four test temperatures.

[Key words] thermodynamic nickel-titanium archwires； mechanical property； temperature； artificial saliva

鎳鈦合金弓絲從20世紀70年代引入正畸臨床，因其能釋放出較為持續柔和的矯治力而倍受正畸醫生的推崇。鎳鈦合金弓絲為鎳（Ni）和鈦（Ti）組成的二元合金或添加少量銅（Cu）等其他金屬元素組成的多

元合金，會隨著外界環境（溫度、應力）的改變而發生相體的轉變（即相變），表現出超彈性與熱彈性，在臨床使用中釋放出較為持續柔和的矯治力以及形狀記憶效應。不同的鎳鈦合金弓絲具有不同的相變溫度Af值（即奧氏體轉變完成時所需的溫度）。20世紀

90年代出現的溫控型鎳鈦合金弓絲，又稱熱激活型鎳鈦合金，其相變溫度Af在35 ℃左右，可在正常口腔溫度及應力作用下發生相變從而表現出超彈性和臨床所需要的形狀記憶效應，從而在臨床中得到越來越廣泛的應用。本實驗采用改良的部分牙弓托槽彎曲實驗，在不同溫度人工唾液下檢測4種溫控型鎳

鈦弓絲的力學性能，為臨床合理有效地使用溫控型鎳鈦弓絲提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

4種溫控型鎳鈦弓絲（基本情況見表1）；2343型Instron萬能材料力學實驗機（Instron公司，美國），載荷傳感器為50 N，最小速度0.1 mm·min-1；HH W21 600型電熱恒溫水浴箱（上海醫用恒溫設備廠），恒溫

范圍37～65 ℃；人工唾液（0.26％NaH2PO4·H2O，2.17％NaHPO4·7H2O，0.9％NaCl，pH值為6.75[1]）；Domon 3

MX自鎖托槽（弓絲槽溝寬度為0.558 8 mm，美國Orm-co公司產品）。

改良部分牙弓托槽彎曲實驗裝置：在不銹鋼基臺上黏結4個自鎖托槽，托槽間距分別為9.0、15.5、7.5 mm（模擬11、21、23和24牙齒間距[2]），傳感裝

置的壓頭加載模擬側切牙錯位。實驗過程中將整個基臺放置于裝有人工唾液的電熱恒溫水浴箱內的金屬架上。基臺與金屬架之間墊一塊帶有刻度標記的不銹鋼板，從而保證基臺在每次取出后重新放置于電熱恒溫水浴箱中時能保持位置不變。

1.2 實驗方法

1.2.1 制取樣本 取未使用的成品溫控型鎳鈦弓絲，截取其后牙段35 mm長度。每種弓絲選取5根樣本為一組。

1.2.2 實驗分組 隨機選取各組樣本分別置入裝有25、33、37、60 ℃人工唾液的改良部分牙弓托槽彎曲實驗裝置的兩端托槽內，完全浸沒3 min后，啟動Instron型萬能材料力學實驗機，采用50 N載荷傳感器，壓頭以1 mm·min-1的加載速度加載。將加載力值為1.0 g時作為撓曲位移的起始點（以排除弓絲弧度的

影響），使弓絲撓曲至3 mm，然后卸載，記錄其加、

卸載力值。每個樣本每次只測量1次。

1.2.3 統計分析 將本實驗測得的數據導入Origin 7.5軟件進行處理，繪制每組弓絲卸載的載荷—撓曲曲線。計算4種弓絲在不同溫度及時間卸載至1.5 mm的載荷值、卸載剛度的平均值和標準差。卸載剛度（ΔF/d）的計算方法：弓絲卸載至2.5 mm與0.5 mm處

載荷值的差值（ΔF）與相對應的2 mm撓曲量（d）的比值。隨后用SPSS 11.5統計軟件對以上各項力學指標進行單因素方差分析，檢驗水準為雙側α=0.05。

2 結果

4種弓絲在25、33、37、60 ℃下的載荷—撓曲曲線分別見圖1、2。

由圖1、2可見：4種弓絲在25 ℃下均出現了殘余形變，而在33、37、60 ℃均表現出明顯的卸載平臺

期；隨著溫度的升高，4種弓絲的卸載力值均有不同程度的升高；其中A弓絲在不同溫度下卸載力值的波動幅度最大，而C弓絲卸載力值隨溫度變化的波動幅度相對較小。

4種弓絲不同溫度下的卸載剛度見表2。由表2可見：每種弓絲的卸載剛度均值在25、33、37 ℃時十分接近，差異沒有統計學意義（P>0.05），而在60 ℃時均有較為明顯的增大；卸載剛度波動最大的是A弓絲，其差值達到37.95 g·mm-1，而波動最小的是C弓絲，差值為14.39 g·mm-1；B與D弓絲在相同溫度對應的卸載剛度最為接近，而A與C弓絲大體相近，同時，前兩者的均值在相同溫度下都低于后兩者。

3 討論

3.1 鎳鈦弓絲力學性能研究的實驗方法及本實驗的

設計

鎳鈦弓絲自引入正畸臨床以來，以其優良的力學性能成為學者們研究的熱點。早期研究多采用單軸拉伸實驗或懸梁實驗[3-5]，此類實驗檢測的鎳鈦弓絲拉伸模量與拉伸力等力學性能指標在正畸臨床治療中并無實際意義。在以后的鎳鈦弓絲力學性能的研究中，多采用三點彎曲實驗與三托槽彎曲實驗[6-9]。

這兩種實驗具有可重復性，便于不同實驗研究之間進行比較[2，10-11]，也更加接近正畸臨床實際。研究[6，12]

證實兩種彎曲實驗的檢測結果存在明顯差異。很顯然，三托槽彎曲實驗更真實地模擬了正畸臨床弓絲使用過程中的力學性能。因此，本實驗根據以往的

研究，設計了改良部分牙弓托槽彎曲實驗裝置。將黏結有自鎖托槽的部分牙弓托槽彎曲實驗裝置置于裝有人工唾液的電熱恒溫水浴箱內，通過調節水浴箱內人工唾液的溫度，可以更加精確地模擬臨床中弓絲所處的口腔環境，得到具有臨床指導意義的實驗數據。

3.2 溫度對溫控型鎳鈦弓絲力學性能的影響

溫控型鎳鈦弓絲之所以被稱為“理想弓絲”，最重要的原因是其力學性能對溫度變化的敏感與依賴性[6，12]。研究[13]發現：人類口腔溫度會受到許多因素的影響而產生一定范圍的波動，故本研究選取25、33、37、60 ℃分別模擬室溫、口呼吸患者口腔溫度、正常人口腔溫度、口腔能承受的熱飲溫度，盡可能地了解不同口腔溫度下溫控型鎳鈦弓絲力學性能的變化，以利于臨床醫生更有效地使用溫控型鎳鈦弓絲。本研究結果顯示：4種溫控型鎳鈦弓絲在25 ℃下均

出現了殘余形變，而在33、37、60 ℃均表現出明顯的卸載平臺期。這是因為4種弓絲的相變溫度均超過25 ℃，25 ℃正好處于4種弓絲As（即奧氏體轉變開始時所需的溫度）與相變溫度之間，因此弓絲在25 ℃加載過程中發生了馬氏體相變，而在卸載時未能發生完全的馬氏體逆相變，弓絲里儲存了殘余應力。因此，一旦弓絲所處的工作溫度達不到其相變溫度，就不能表現出完整的超彈性。

根據Clausius-Clapayron方程，Af值低的鎳鈦弓絲誘導馬氏體產生所需的臨界應力要比Af值高的鎳鈦弓絲大，因此弓絲Af值越高，弓絲加、卸載力值相對更低；鎳鈦弓絲誘導馬氏體產生所需的臨界應力也會隨著溫度升高而增大，故鎳鈦弓絲加、卸載力值會隨著溫度升高而增大[14]。在本研究中，所有溫控型鎳鈦弓絲的卸載力值均隨著溫度的升高而逐漸增大，這與其他學者[6]的研究結果一致。

對于正畸治療來說，剛度低、彈性好的弓絲材料，力和變形比值低，每次牙移動后的力量大小變化不大，能在牙移動距離較大的情況下，使矯治力保持在一相對恒定的水平，所引起的牙周膜應力也將維持在理想的水平[15]。本研究選取卸載剛度（ΔF/d）來衡量弓絲在臨床使用過程中的主要工作范圍內釋放的矯治力是否恒定、持續。卸載剛度越小，其卸載曲線在2.5～0.5 mm撓曲量之間的斜率更低、更平緩，提示弓絲在臨床實際使用過程中釋放的矯治力波動越小，更為恒定持續，更有利于牙齒的快速移動。本研究結果表明：每種弓絲的卸載剛度均值在25、33、37 ℃時十分接近，而在60 ℃時均有較明顯的增大。這提示4種弓絲在25、33、37 ℃時釋放矯治力的穩定性沒有明顯差異，而在60 ℃時，4種弓絲釋

放的矯治力有較大的波動，穩定性較差。同樣，通過相同溫度下4種弓絲卸載剛度之間的比較可見，B與D弓絲在相同溫度對應的卸載剛度最為接近，并且兩者卸載剛度在相同溫度下都明顯低于A與C弓絲。由此說明B與D弓絲在臨床使用過程中其釋放的矯治力更加恒定、持續。

3.3 溫控型鎳鈦弓絲的臨床應用

本研究結果顯示：37 ℃時4種弓絲的卸載力值為50～100 g，符合臨床矯治的需要[16]。這樣在正畸臨床

應用中，患者不僅痛感輕，感覺力量柔和持久，且復診時間可以相應減少，縮短療程，提高療效。同時，所有溫控型鎳鈦弓絲具有明顯的溫度敏感性，在室溫（25 ℃）狀態下，弓絲相對柔軟，易于結扎入槽，一旦結扎入口腔，隨著弓絲溫度升高，弓絲逐漸向預成的“理想弓形”恢復。因此，可以通過指導患者進食冷、熱食物或飲料等方式來改變口腔的溫度，進而調節弓絲的卸載力值，即釋放的矯治力。如在溫控型鎳鈦弓絲結扎入槽初期，囑咐患者多進食冷飲，降低口腔溫度，減小弓絲釋放的矯治力，緩解患者（尤其是牙周病及成年矯治患者）矯治初期的不適感；而在矯治周期的后期，可以指導患者適當進食熱的食物，減緩弓絲卸載力值的衰減，提高弓絲釋放的矯治力。

本實驗中所采取的樣本均來源于市場銷售產品，研究結論僅供參考。

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（本文編輯 吳愛華）