兩種頜托在頰側多曲簧作用下對牙齒作用力的對比實驗

陳 萍，王培軍，石瑛琦，徐實謙，侯 錄

頰側多曲簧活動矯治器是由侯錄教授研發，并于2006年獲得國家專利[1]的一種新型矯治器(圖1)，可用于治療乳牙期、替牙期及恒牙早期安氏Ⅲ類錯牙合畸形[2]。其組成包括上下頜托、左右成對的多曲簧和固位管，成對的多曲簧通過固位管將上、下頜托連在一起，使上下頜形成一個整體[3]。其矯治原理[4]是利用頰側多曲簧獨特的形態特征，形成近遠中方向的頜間交互支抗力，對頰側多曲簧垂直曲加力，使得矯治力通過頜托作用于全牙列，通過牙列傳導至上、下頜骨，推上頜向前、下頜向后，達到促進上頜向前發育、抑制下頜過度向前發育的目的。

a：正面觀；b：側面觀圖1 頰側多曲簧活動矯治器Fig.1 The buccal multiloop removable appliance

頰側多曲簧活動矯治器投入臨床應用多年，對安氏Ⅲ類錯牙合畸形患兒產生的良好矯治效果是值得肯定的，但隨著矯治進程的發展，頰側多曲簧活動矯治器的應用也顯現了一些不足之處，比如對部分患兒前牙唇傾度有一定的影響,出現上前牙唇向傾斜、下前牙舌向傾斜的現象。

以往關于頰側多曲簧活動矯治器的實驗，主要包括多曲簧矯治力方面的相關研究[5-10]、矯治前后頜面部軟硬組織變化的相關研究[11-12]、多曲簧疲勞斷裂問題的研究[4,13-14]、矯治器對顳下頜關節影響的相關研究[15-16]等。目前，尚未有關于不同材料頜托與上下頜前牙唇舌向傾斜關系的研究。傳統的頜托由自凝樹脂材料制成，其主要成分為聚甲基丙烯酸甲酯。但隨著材料學的發展，熱壓膜材料在正畸領域得到了廣泛的應用[17-19],也可用于頜托的制作。本實驗將對自凝樹脂和Kombiplast熱壓膜片制作的頜托，在不同長度的頰側多曲簧矯治力作用下，分別對上、下頜中切牙產生的力值進行測量，并分析比較隨著多曲簧長度的增加，兩種頜托對上中切牙唇向、下中切牙舌向的力值大小變化，以期找到合適的材料代替自凝樹脂制作頜托，為解決臨床應用頰側多曲簧矯治器矯治安氏Ⅲ類錯牙合畸形過程中,部分患者出現前牙唇舌向傾斜的問題提供一種新思路。

1 材料與方法

1.1 樣本特征

取安氏Ⅲ類錯牙合畸形患者口內模型(雙側第一磨牙為近中關系，前牙反牙合)，掃描后應用Magics軟件將上頜中切牙腭側面、下頜中切牙唇側面制成平面(平面大小10 mm×10 mm，可保證放置薄膜壓力傳感器7 mm×7 mm的大小尺寸，因下頜單個中切牙唇面的面積過小，故將下頜左右中切牙的唇面制成一個平面；平面方向與牙體長軸方向一致)，經3D打印獲得樹脂模型。

1.2 材料及設備

1.2.1 實驗材料 3 mm厚的Kombiplast膜片(Dreve,德國)；自凝牙托粉、牙托水(日進齒科材料有限公司,日本)；直徑0.8 mm國產醫用不銹鋼絲(上海齒科醫療器械廠，上海)；固位管(杭州愛麗絲有限公司，杭州)。

1.2.2 設備 正壓壓膜機(圖2a)；RFP薄膜壓力傳感器(宇博智能)微力測試系統(圖2b)；頰側多曲簧空間三維測力儀(圖2c)；仿真模擬開閉口測試儀(圖2d)。

a：正壓壓膜機；b：薄膜壓力傳感器； c：頰側多曲簧空間三維測力儀； d：仿真模擬開閉口測試儀圖2 實驗設備Fig.2 Experimental equipment

1.3 RFP薄膜壓力傳感器微力測試系統

組成：RFP薄膜壓力傳感器(宇博智能)、RFP-ZHII轉換模塊(宇博智能)、電壓表、電源。

工作原理：RFP薄膜壓力傳感器厚度為0.2 mm,由兩片很薄的聚酯薄膜組成，兩片薄膜內表鋪設導體及半導體，當外力作用到傳感點上時，其電阻值會隨著外力成規律變化。壓力為零時，電阻值最大，壓力越大，電阻值越小。

RFP薄膜壓力傳感器可對任何接觸面的壓力進行靜態和動態測量，將其置于頜托與牙面之間，且與頜托、牙面間無間隙。多曲簧加力后矯治力通過頜托作用于牙面，薄膜壓力傳感器感應區域受力后將壓力信號轉換為電阻信號，通過RFP-ZHII轉換模塊將電阻信號轉化為電壓信號輸出在電壓表上，薄膜壓力傳感器所受壓力越大，電壓示數越小。

1.4 實驗前準備

制取3D打印樹脂模型的石膏模型，在石膏模型上分別制作自凝樹脂材料頜托和熱壓膜材料頜托(保證頜托厚度均勻一致)。因樣本模型上下頜牙列左右擁擠度不一致，右側上頜尖牙頰向錯位，為確保兩側多曲簧打開相同長度后產生的力值對稱相等，先將固位管定位粘結于頜托左側上頜尖牙及下頜第一磨牙臨床冠中心。以左側上頜尖牙與下頜第一磨牙臨床冠中心到上頜中線的距離為標準，對稱粘結右側上頜尖牙區及下頜第一磨牙區固位管，使頜托左右兩側固位管中心之間的水平距離相等，盡量達到兩側多曲簧打開相同長度后的力值相等的目的。由同一人按照統一規格尺寸(高18 mm,長26.5 mm)彎制成左右成對的頰側多曲簧，并用樣規進行檢測。完成頰側多曲簧活動矯治器各組成部分的制作。

1.5 實驗步驟

1.5.1U-F線性關系的校準 將RFP薄膜壓力傳感器(量程0～500 g)固定于平面板，使用頰側多曲簧空間三維測力儀對薄膜壓力傳感器(按照10 g、20 g、30 g…500 g)依次加力，分別讀出薄膜壓力傳感器微力測試系統電壓表上顯示的電壓值(U)，重復測量10次，取平均值，得到的電壓-力值(U-F)數據。利用軟件MATLAB繪制U-F線性關系圖(圖3)，并得出U-F線性關系式y=1.604×e-0.08359x+3.426×e-0.002342x。

1.5.2 兩種頜托在頰側多曲簧矯治力作用下牙齒的受力測試 ①3D打印樹脂模型于下頜最大后退位上牙合架，牙合架安裝在仿真模擬開閉口測試儀上，佩戴頰側多曲簧活動矯治器，通過調整測試儀模擬臨床矯治過程中的閉口位狀態。在閉口位時，將薄膜壓力傳感器置于頜托組織面與測試牙面之間，調整兩側多曲簧長度使其安裝于固位管后不產生矯治力。打開電源，待電壓穩定后記錄多曲簧矯治力為零時測試牙面上薄膜壓力傳感器的初始電壓值U0。再將多曲簧逐次矢狀向打開2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm，記錄多曲簧不同長度下測試牙面上薄膜壓力傳感器的電壓值(U1～U5)。每測試牙面取5對多曲簧樣本，進行5次重復實驗。②根據U-F線性關系式y=1.604×e-0.08359x+3.426×e-0.002342x，將多曲簧不同長度下測試牙面上薄膜壓力傳感器的電壓值(U0～U5)轉化為相對應的力值(F0～F5)。將F1～F5分別與多曲簧矯治力為零時測試牙面上薄膜壓力傳感器受到的壓力值F0作差，得到的差值ΔF，即為在不同長度多曲簧作用下兩種頜托對牙齒的力值。

1.6 統計學分析

采用SPSS 24.0統計軟件進行分析，對兩種頜托在不同長度多曲簧作用下對牙齒的力值結果進行獨立樣本t檢驗，P<0.05時表示差異具有統計學意義。

2 結 果

2.1 左上中切牙在兩種頜托作用下的力值

兩種材料頜托在頰側多曲簧的作用下對左上中切牙唇向的力值見表1。隨著多曲簧長度的增加，兩種頜托對其唇向的力值均增大。多曲簧打開2 mm時，兩種頜托對左上中切牙唇向的力值最小，熱壓膜頜托作用下的力值為(0.27±0.04)g，自凝樹脂頜托作用下的力值為(4.04±1.54)g。多曲簧打開10 mm時，兩種頜托對左上中切牙唇向的力值最大，熱壓膜頜托作用下的力值為(1.34±0.08)g，自凝樹脂頜托作用下的力值為(20.78±2.31)g。在多曲簧打開相同長度時，熱壓膜頜托對其唇向的力值均小于自凝樹脂頜托，力值的差異具有統計學意義(P<0.05)。

圖3 U-F線性關系圖Fig.3 U-F linear relationship

表1 兩種頜托作用下的左上中切牙唇向力值的對比Tab.1 Comparison of labial force values of maxillary left central incisor under the action of two kinds of bases

2.2 右上中切牙在兩種頜托作用下的力值

兩種材料頜托在頰側多曲簧的作用下對右上中切牙唇向的力值見表2。隨著多曲簧長度的增加，兩種頜托對其唇向的力值均增大。多曲簧打開2 mm時，兩種頜托對右上中切牙唇向的力值最小，熱壓膜頜托作用下的力值為(0.12±0.11)g，自凝樹脂頜托作用下的力值為(4.44±2.72)g。多曲簧打開10 mm時，兩種頜托對右上中切牙唇向的力值最大，熱壓膜頜托作用下的力值為(1.20±0.13)g，自凝樹脂頜托作用下的力值為(22.12±6.21)g。在多曲簧打開相同長度時，熱壓膜頜托對其唇向的力值均小于自凝樹脂頜托，力值的差異具有統計學意義(P<0.05)。

表2 兩種頜托作用下的右上中切牙唇向力值的對比Tab.2 Comparison of labial force values of maxillary right central incisor under the action of two kinds of bases

2.3 下中切牙在兩種頜托作用下的力值

兩種材料頜托在頰側多曲簧的作用下對下中切牙舌向的力值見表3。隨著多曲簧長度的增加，兩種頜托對其舌向的力值均增大。多曲簧打開2 mm時，兩種頜托對下中切牙舌向的力值最小，熱壓膜頜托作用下的力值為(0.20±0.08)g，自凝樹脂頜托作用下的力值為(3.05±1.16)g。多曲簧打開10 mm時，兩種頜托對下中切牙舌向的力值最大，熱壓膜頜托作用下的力值為(1.58±0.15)g，自凝樹脂頜托作用下的力值為(19.30±2.68)g。在多曲簧打開相同長度時，熱壓膜頜托對其舌向的力值均小于自凝樹脂頜托，力值的差異具有統計學意義(P<0.05)。

表3 兩種頜托作用下的下中切牙舌向力值的對比Tab.3 Comparison of lingual force values of mandibular central incisors under the action of two kinds of bases

3 討 論

何志偉等[2]對 31 例早期安氏Ⅲ類錯牙合畸形患者采用頰側多曲簧活動矯治器進行矯治，并對患者矯治前后頭顱側位片中反映硬組織之間關系的指標進行測量分析，結果發現患者矯治后上頜長度增加并向前移動；下頜位置發生改變，向下后方向生長；上下頜骨矢狀向關系趨于正常，骨性Ⅲ類面型得到改善；上前牙前移，下切牙的長軸舌向傾斜。說明頰側多曲簧活動矯治器的矯治力主要作用于上下頜骨，產生骨性效應，促進了上頜向前生長發育，抑制了下頜的過度生長發育, 并使下頜功能性后退。但矯治器也對前牙產生了不良的牙性效應，即部分患者出現不同程度的上前牙唇傾及下前牙舌傾的現象。

有文獻報道，為了防止矯治過程中前牙唇舌向傾斜問題的發生，采取對矯治器上頜托上前牙腭側的相應組織面和下頜托下前牙唇側的相應組織面進行緩沖的辦法，減少頜托對上前牙的唇向作用力、下前牙的舌向作用力[3]。這說明在矯治過程中上頜前牙的腭側面與下頜前牙的唇側面為矯治力的主要作用面。因此本實驗主要測量上頜前牙的腭側面與下頜前牙的唇側面在兩種頜托作用下的力值。

隨著多曲簧長度依次增加2、4、6、8、10 mm，兩種材料頜托對上頜中切牙唇向、下頜中切牙舌向的力值均增大。這說明隨著多曲簧長度的增加，多曲簧的矯治力不斷增大，矯治器通過頜托對上、下頜中切牙的作用力變大。在多曲簧打開相同長度時，熱壓膜頜托對上頜中切牙唇向的力值和對下頜中切牙舌向的力值明顯小于自凝樹脂頜托作用下的力值。這可能與兩種材料的結構性質和力學性能有關。本實驗中應用的Kombiplast膜片是一種具有雙層結構的內軟外硬的熱壓膜材料，臨床可用于制作齒科夾板、軟硬牙合墊、運動護齒、牙齒美白托盤及正畸輔助器械。Kombiplast內層軟質膜片主要成分為乙烯醋酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate, EVA)，其彈性模量較小，柔韌性及抗沖擊性較強[20-21]。EVA能吸收大部分的沖擊能量，具有顯著的緩沖能力，可對牙齒起到有效的緩沖保護作用并提高患者舒適度[22]。研究發現相同厚度(3 mm)Kombiplast熱壓膜材料的彈性模量明顯低于自凝樹脂材料的彈性模量[23]。彈性模量小的EVA材料可有效地減少傳遞到其內部物體上的力值[24]。因此受到相同的矯治力時，Kombiplast熱壓膜頜托在產生形變的過程中，內層軟質材料的緩沖作用會增加外力與牙齒的接觸時間，使牙齒的瞬時受力減小；同時力量分散至牙齒周圍的結構，如牙周韌帶和牙槽骨[21]。

Kombiplast外層硬質膜片主要成分為聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate glycol, PETG)，其具有突出的韌性、高的抗沖擊強度，可為緊咬牙或磨牙的患者提供力量支撐[21,25]。研究發現Kombiplast膜片外層的硬度比自凝樹脂的硬度大[23]。硬度大的材料發生的形變小，故在多曲簧的作用力下Kombiplast熱壓膜頜托本身的形變小，有利于矯治力的有效發揮[21]。

本實驗為體外模擬實驗，復雜的口腔環境會使材料的理化性質發生一定的改變，影響實驗結果。盡管按照統一標準彎制頰側多曲簧并用樣規檢驗，但人工彎制仍存在少許誤差。本實驗主要比較上頜中切牙腭側面及下頜中切牙唇側面在兩種頜托作用下的力值大小，未測量矯治力作用下上下頜中切牙唇舌側受到的合力，但上頜中切牙腭側面及下頜中切牙唇側面為矯治力的主要作用面，其受力的方向與矯治力對牙齒的合力方向一致，所以實驗結果可以用來比較兩種頜托材料對牙齒的作用力大小。

4 結 論

相較于自凝樹脂，熱壓膜材料制成的頜托對上下頜中切牙的力值小，能夠減少上下頜中切牙的傾斜，減輕牙效應。